Das Forschungsprojekt ModiBioPol entwickelte ein innovatives Verfahren zur kontinuierlichen Biosynthese des Biopolymers Polyhydroxybutyrat. Ziel war es, die bei biologischen Synthesen übliche Variabilität durch eine spezielle Prozessführung so zu kontrollieren, dass zentrale Materialeigenschaften wie mittlere Molmasse und mechanische Stabilität gezielt einstellbar sind. Zudem wurden umweltfreundliche „Green Chemicals“ zur Aufreinigung der Polymere erprobt, um schädliche chlorierte Lösungsmittel zu ersetzen.
Biobasierte und biologisch abbaubare Thermoplaste werden im Zuge der wachsenden Bedeutung nachhaltigen Wirtschaftens immer wichtiger. Die Produktionsprozesse sind aber noch nicht auf demselben Effizienzniveau wie man es von traditionellen Polymeren kennt. Die Schwierigkeit liegt meist in der Extraktion des Polymers aus der übrigen sogenannten Fermentationsbrühe.
Im kürzlich abgeschlossenen Forschungsprojekt ModiBioPol haben das Kunststoff-Zentrum SKZ aus Würzburg und die Forschungsgruppe um Prof. Stute des Lehrstuhls Bioverfahrenstechnik der Technischen Hochschule Nürnberg ihre Ressourcen gebündelt und nennenswerte Erfolge hinsichtlich effizienterer Produktionsverfahren von PHB erzielt.
Das Biopolymer Polyhydroxybutyrat (PHB) wird aktuell im sogenannten Fed Batch-Verfahren hergestellt, bei dem es sich um einen diskontinuierlichen Prozess handelt. Die Herausforderung für die Wissenschaftler der beiden Institute war, diesen Prozess in einem kontinuierlichen Verfahren zu ermöglichen und gleichzeitig eine gleichmäßige Kettenlänge der Polymere zu erzielen.
Hierzu wurde ein kontinuierlicher Produktionsprozess entwickelt, der die Fermentationsbedingungen optimiert und die Polymerstruktur durch die Steuerung der Verweilzeit sowie der Syntheseparameter im Reaktor beeinflusst. Zudem werden geeignete Aufbereitungs- und Extraktionsmethoden erforscht, um eine unerwünschte Degradation der Polymerketten zu reduzieren.
Die hergestellten Biopolymere wurden im Zuge des Projektes intensiv geprüft, der Prozess am SKZ technoökonomisch bewertet und sogar der komplette Lebenszyklus der Polymere betrachtet und hinsichtlich des ökologischen Fußabdruckes mit herkömmlichem Polypropylen verglichen.
„Wir sind sehr zufrieden mit den Ergebnissen von ModiBiopol. Es ist gelungen die kontinuierliche Biosynthese von PHB mehr als 1.000 Stunden zu ermöglichen. Gleichzeitig sind wir auch mit den technisch/wirtschaftlichen, sowie den ökologischen Erkenntnissen so zufrieden, dass wir in naher Zukunft Folgeprojekte anstreben.“ erklärt Dr. Oliver Tröppner, Gruppenleiter Materialentwicklung am SKZ.
Kernpunkt der erfolgreichen Effizienzverbesserung war die Optimierung der Verfahrensschritte in der sogenannten Aufreinigung (Downstream Processing) der synthetisierten Polymere. Die Abbildung zeigt den schematischen Ablauf des optimierten Herstellungsprozesses.
Biobasierte und biologisch abbaubare Thermoplaste werden im Zuge der wachsenden Bedeutung nachhaltigen Wirtschaftens immer wichtiger. Die Produktionsprozesse sind aber noch nicht auf demselben Effizienzniveau wie man es von traditionellen Polymeren kennt. Die Schwierigkeit liegt meist in der Extraktion des Polymers aus der übrigen sogenannten Fermentationsbrühe.
Im kürzlich abgeschlossenen Forschungsprojekt ModiBioPol haben das Kunststoff-Zentrum SKZ aus Würzburg und die Forschungsgruppe um Prof. Stute des Lehrstuhls Bioverfahrenstechnik der Technischen Hochschule Nürnberg ihre Ressourcen gebündelt und nennenswerte Erfolge hinsichtlich effizienterer Produktionsverfahren von PHB erzielt.
Das Biopolymer Polyhydroxybutyrat (PHB) wird aktuell im sogenannten Fed Batch-Verfahren hergestellt, bei dem es sich um einen diskontinuierlichen Prozess handelt. Die Herausforderung für die Wissenschaftler der beiden Institute war, diesen Prozess in einem kontinuierlichen Verfahren zu ermöglichen und gleichzeitig eine gleichmäßige Kettenlänge der Polymere zu erzielen.
Hierzu wurde ein kontinuierlicher Produktionsprozess entwickelt, der die Fermentationsbedingungen optimiert und die Polymerstruktur durch die Steuerung der Verweilzeit sowie der Syntheseparameter im Reaktor beeinflusst. Zudem werden geeignete Aufbereitungs- und Extraktionsmethoden erforscht, um eine unerwünschte Degradation der Polymerketten zu reduzieren.
Die hergestellten Biopolymere wurden im Zuge des Projektes intensiv geprüft, der Prozess am SKZ technoökonomisch bewertet und sogar der komplette Lebenszyklus der Polymere betrachtet und hinsichtlich des ökologischen Fußabdruckes mit herkömmlichem Polypropylen verglichen.
„Wir sind sehr zufrieden mit den Ergebnissen von ModiBiopol. Es ist gelungen die kontinuierliche Biosynthese von PHB mehr als 1.000 Stunden zu ermöglichen. Gleichzeitig sind wir auch mit den technisch/wirtschaftlichen, sowie den ökologischen Erkenntnissen so zufrieden, dass wir in naher Zukunft Folgeprojekte anstreben.“ erklärt Dr. Oliver Tröppner, Gruppenleiter Materialentwicklung am SKZ.
Kernpunkt der erfolgreichen Effizienzverbesserung war die Optimierung der Verfahrensschritte in der sogenannten Aufreinigung (Downstream Processing) der synthetisierten Polymere. Die Abbildung zeigt den schematischen Ablauf des optimierten Herstellungsprozesses.
