Prof. Dr. Stephanie Stute von der Fakultät Verfahrenstechnik der TH Nürnberg forscht an biobasiert hergestellten Kunststoffen, die biologisch abbaubar sind. Dazu entwickelt sie ein wirtschaftlicheres Herstellungsverfahren für den Bio-Kunststoff Polybuttersäure.
Bioreaktor zur Polybuttersäure-Synthese in Betrieb
TH Nürnberg / Oliver Kussinger
Die Bundesregierung zählt in ihrer "Hightech-Strategie 2020 für Deutschland. Ideen. Innovation. Wachstum." die Biotechnologie zu den Schlüsseltechnologien für eine zukunftsfähige deutsche Wirtschaft. Vor diesem Hintergrund forscht Prof. Dr. Stephanie Stute von der Fakultät Verfahrens-technik an der TH Nürnberg an biobasiert hergestellten Kunststoffen, die biologisch abbaubar sind. In ihrem Projekt „Biobasierte Herstellung des biologisch abbaubaren Bio-Kunststoffes Polybuttersäure“ entwickelt sie ein kontinuierliches und damit wirtschaftlicheres Herstellungsverfahren für den Bio-Kunststoff Polybuttersäure (PHB). "Die Polybuttersäure ist ein farbloser Polyester und gilt als vielversprechendster Ersatz für petrochemische Polymere. Bisher sind die Herstellungskosten für diesen Bio-Kunststoff sehr hoch, weshalb die Industrie ihn noch nicht im großen Maßstab einsetzt", so Prof. Dr. Stute. Das derzeitige Herstellungsverfahren von PHB durch Bakterien kann hinsichtlich der Produktivität noch deutlich verbessert werden.
PHB-Synthese erfordert spezielle Prozessbedingungen
Viele Bakterien-Arten lagern Polybuttersäure als Speicherstoff in ihren Zellen ein. Um den Stoffwechselprozess der Bakterien bei der PHB-Synthese im großen Maßstab nutzen zu können, sind für die Anzucht der benötigten Bakterienzellen und für die nachfolgende PHB-Produktion unterschiedliche Prozessbedingungen technisch zu realisieren. "Eine rasche Zellteilung und das damit verbundene mikrobiologische Wachstum sind nur bei einer optimalen Versorgung der Bakterienzellen mit Nährstoffen und Sauerstoff möglich. Für die Einlagerung von Polybuttersäure benötigen die Bakterien allerdings Mangelbedingungen", erklärt Prof. Stute.
Der neue Ansatz basiert auf zwei hintereinandergeschalteten Bioreaktoren, die kontinuierlich unter Zulauf von Nährstoffen betrieben werden. In der ersten Stufe herrschen optimale Wachstumsbedingungen. In der zweiten Stufe wird gezielt ein Nährstoffmangel eingestellt, so dass die Einlagerung von PHB in den Bakterien beginnt und durch den Zulauf ausgewählter Nährstoffe verstärkt wird. Die Bakterien bilden so große Mengen des Produkts. Am Auslauf des zweiten Bioreaktors werden die Bakterienzellen vom Nährmedium abgetrennt und das Produkt PHB aus den Bakterienzellen aufbereitet. Das Bakterium C. necator lagert beispielsweise PHB von bis zu 80 Prozent der Biotrockenmasse ein und bietet damit das Potenzial zur Massenproduktion. Die Kosten für die benötigten Rohstoffe können einen Großteil der Gesamtkosten betragen, so dass die Nutzung von kostengünstigen industriellen Restströmen von großem Interesse ist. Das Projekt wird mit 40.000 Euro von der Staedtler-Stiftung gefördert.