Berichte aus Energie- und Umweltforschung 12/1998
Herstellung von Biokunststoffen auf der Basis landwirtschaftlicher Rohstoffe

Glycerinphase

Eine der wesentlichsten Schwierigkeiten während der Durchführung des Projektes war die nicht konstante Zusammensetzung der Glycerinphase. Die erste Charge, welche wir auf ihre Verwendbarkeit zur Herstellung von Polyhydroxyalkanoaten getestet haben, war noch das Endprodukt aus der Biodieselherstellung nach dem alten Verfahren. Diese Phase enthielt etwa 20% Methanol und konnte daher nur mit Hilfe von fakultativ methylotrophen Bakterien umgesetzt werden. Andererseits waren in dieser Glycerinphase die Anteile an Seifen wesentlich höher als zunächst angegeben worden war. Dies führte zu praktisch komplettem Ausfällen von Calcium und Magnesium. aus der Nährlösung, beides Elemente, welche für ein ungestörtes Wachstum von Bakterien unerlässlich sind. Eine weitere Schwierigkeit ergab sich durch das starke Aufschäumen der Nährlösung, sobald die ersten Versuche im belüfteten Bioreaktor (Belüftungsrate 0,5 - 1 vvm) gefahren wurden. Diese ließen sich jedoch durch Zugabe von Antischaummitteln beherrschen.

Nach der Umstellung der Biodieselproduktion auf das neue Verfahren haben wir eine 2. Charge Glycerinphase erhalten, welche zwar wesentlich geringere Anteile an Seifen enthalten hat, jedoch war der Gehalt an Methanol noch bei etwa 20 %, und entsprach daher nicht der endgültig zu erwartenden Konzentration von <1% Methanol. Der Endgehalt an Methanol wurde in dieser Charge daher dadurch eingestellt, dass wir das Methanol abdestilliert haben. Weitere mit dieser vorbehandelten Glycerinphase gefahrene Versuche liefen störungsfrei und zeichneten sich durch gute Ergebnisse aus.

Erst die 3. Charge hatte dann weder erhöhten Methanol-, noch erhöhten Seifengehalt. Allerdings hat sich hier beim längerem Stehen der Charge eine dicke, ölige Schicht separiert, welche aus freien Fettsäuren und Rapsöl bestand. Erste Versuche, diese Phase zur Umsetzung mit unseren Mikroorganismen zu verwenden schlugen fehl, alle Organismen brauchten extrem lange Adaptationszeiten, um diese Phase verwerten zu können. Wir haben uns daher entschlossen eine Vorbehandlungsmethode zu entwickeln und einzusetzen, um die störenden und inhibierenden Stoffe zu entfernen. Alle Fermentationsversuche wurden dann mit dieser vorbehandelten Charge durchgeführt.

Diese Änderungen im Ausgangsmaterial für unsere Verfahrensentwicklung haben uns rückblickend etwa 4 Monate an Arbeitskapazität für die Gesamtentwicklung gekostet.

Mikroorganismen

Auf Grund des hohen zu erwartenden Methanolgehaltes wurden zunächst alle Versuche mit fakultativ methylotrophen Mikroorganismen durchgeführt. Desgleichen wurde das Anreicherungs- und Isolierungsprogramm für neue potentielle Produktionsorganismen auf diese Gruppe ausgerichtet. Mit Fortdauer der Arbeiten war es durch die Änderungen in der Zusammensetzung der Glycerinphase dann notwendig einerseits die ausgewählten Stämme aus der Literatur gegen andere zu ersetzen und andererseits das Anreicherungs- und Isolierungsprogramm für neue Produzenten entsprechend zu adaptieren. Es konnte eine Reihe von Mikroorganismen isoliert werden, doch haben vergleichende Untersuchungen gezeigt, dass diese in ihrer Leistungsfähigkeit den Literaturstämmen unterlegen sind.

Insgesamt wurden 16 Bakterienstämme in die Reihenuntersuchungen aufgenommen, die Anzahl wurde bei jedem Schritt der Maßstabsvergrößerung um jene Stämme reduziert, die im Vergleich zu den anderen schlechtere Werte geliefert hatten. Im Einzelfall wurden, wenn die Ergebnisse nicht eindeutig waren, weitere Versuche durchgeführt, um die Stammauswahl abzusichern.

Fermentationen

In Schüttelkolbenreihenversuchen wurden zunächst mit allen zur Verfügung stehenden Mikroorganismen deren prinzipielle Brauchbarkeit zur Erzeugung von PHAs aus den verschiedenen Glycennphasen untersucht. Die jeweils interessantesten Stämme wurden weiterfahrenden Untersuchungen in Bioreaktoren unterzogen. Diese Fermentationen zur Erfassung der Kinetik von mikrobiellem Wachstum und Produktbildung sowie zur Ermittlung der Ertragskoeffizienten wurde zunächst in Bioreaktoren mit einem Arbeitsvolumen von 10 Litern unter kontrollierten Bedingungen durchgeführt. Zur Erarbeitung eines Vergleichsstandards wurden entsprechende Fermenteransätze im selben Maßstab mit allen eingesetzten Mikroorganismen auch mit Glucose als Standardsubstrat durchgeführt. Auf Grund der erhaltenen Ergebnisse wurden jene Stämme ausgewählt, welche schließlich im Fermentermaßstab von 30 und 300 Litern weiter untersucht wurden.