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Biotenside - leistungsstarke Fettlöser aus Bakterien

Anfang 2015 gründete die Karlsruher Firma Biotensidon GmbH ein Tochterunternehmen im Bereich der weißen Biotechnologie. In einem Fermenter-Prototypen werden dort Rhamnolipide, besonders oberflächenaktive Biotenside, produziert. Durch diese Entwicklung, die in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern des 'Science & Technology Center in Ukraine' durchgeführt wird, können nun herkömmliche erdölbasierte Tenside durch Biotenside ersetzt werden. Diese sind nicht nur besonders vielseitig, sondern auch vollkommen biologisch abbaubar.

Glossar

  • Bakterien sind mikroskopisch kleine, einzellige Lebewesen, die zu den Prokaryoten gehören.
  • Biotechnologie ist die Lehre aller Verfahren, die lebende Zellen oder Enzyme zur Stoffumwandlung und Stoffproduktion nutzen.
  • Ein Fermenter ist ein Gärtank, in dem Bakterien oder Zellkulturen vermehrt werden.
  • Pathogenität ist die Fähigkeit, eine Krankheit zu verursachen. Man unterscheidet zwischen human-, tier- und pflanzenpathogenen Erregern, die eine Krankheit spezifisch bei Mensch, Tier oder Pflanze hervorrufen.
  • Fermentiation ist die Bezeichnung für die Umsetzung von biologischen Materialien mit Hilfe von Mikroorganismen oder durch Zusatz von Enzymen (Fermenten). Im eigentlichen Sinn handelt es bei der Fermentation um die anaerobe Oxidation von Zuckern zum Zwecke der Energiegewinnung des metabolisierenden Organismus.
  • Toxizität ist ein anderes Wort für Giftigkeit.
  • Hydrophile Stoffe sind aufgrund ihrer chemischen Struktur wasseranziehend bzw. wasserlöslich. Meist sind sie gleichzeitig lipophob, lösen sich also schlecht in Fetten oder Ölen.
Die Biotensidon GmbH wurde Ende 2011 unter anderem von Rolf Hartmann (Vertriebsleiter, rechts) und Jörg Joegel (technische Leitung, links) gegründet. © Biotensidon GmbH

Nach Schätzungen werden jährlich weltweit mindestens 18 Millionen Tonnen Tenside produziert. Ob als Emulgator in der Gesichtscreme oder als Fettlöser im Geschirrspülmittel - Tenside begegnen uns überall. Diese Eigenschaften beruhen auf dem amphiphilen Aufbau der Tensid-Moleküle. Dank ihres hydrophilen Kopfes und eines hydrophoben Schwanzes wirken sie wie ein Verbindungsglied zwischen verschiedenen Flüssigkeiten. Als oberflächenaktive Moleküle setzen sie auch die Oberflächenspannung von Flüssigkeiten herab. Daher zerläuft ein Wassertropfen nach Tensidzugabe wesentlich weiter und behält nicht seine nahezu kugelige Form.

Die meisten herkömmlichen Tenside basieren auf Erdöl und sind oftmals umweltbelastend. Sie erfüllen zwar den gesetzlich geforderten Primärabbaugrad - aber dieser bezieht sich lediglich auf den Verlust der Grenzflächenaktivität. Ein vollständiger biologischer Abbau wird bei diesen Tensiden oft nicht erreicht. Daher werden bereits ein Viertel der oberflächenaktiven Substanzen aus nachwachsenden Rohstoffen wie Palm- oder Kokosöl chemisch hergestellt - sie gelten als vollständig biologisch abbaubar. „Aber auch Mikroorganismen können Tenside produzieren, die biologisch abbaubar sind - sogenannte Biotenside," weiß Rolf Hartmann, Vertriebsleiter der Biotensidon GmbH aus Karlsruhe - einem Unternehmen, das sich in den letzten dreieinhalb Jahren auf biologische Reinigungsmittel spezialisiert hat.

Biotenside - ihre Produktion war wirtschaftlich bislang kaum darstellbar

Die Rhamnolipide von Pseudomonas aeruginosa sind Biotenside, die aus Rhamnose-Zucker und β-Hydroxydecansäure in unterschiedlichem Verhältnis bestehen. Abhängig von der Anzahl der Rhamnose-Moleküle spricht man auch von Mono- oder Di-Rhamnolipiden. © SF/BIOPRO

Biotenside sind somit eine Gruppe oberflächenaktiver Moleküle, die unter anderem von Bakterien oder Pilzen produziert werden. Bakterien zum Beispiel geben diese in ihre Umgebung ab. Die Tensid-Moleküle können hier in ihrer natürlichen Funktion die Oberflächenspannung des Flüssigkeitsfilms herabsetzen und erleichtern so das Schwärmen der Bakterien. In anderen Fällen werden Biotenside auch in die Bakterien-Zellwand eingelagert, um ihre Eigenschaften zu verändern.

Neben ihrem breiten Wirkungsspektrum sind die meisten Biotenside kaum toxisch und besitzen eine antimikrobielle Wirkung gegen bestimmte Bakteriengruppen. Das qualifiziert sie zum Beispiel als Zusatz bei Kosmetika, Hautseifen oder auch für pharmazeutische Produkte. Außerdem sind sie biologisch abbaubar, wodurch sie in nahezu allen Bereichen eingesetzt werden können.

Ein Beispiel für ein mikrobielles Biotensid sind Rhamnolipide (RL). Diese gehören zu den Glykolipiden, da sie mindestens ein Zuckermolekül (hier Rhamnose) besitzen. Es sind circa 60 verschiedene Rhamnolipid-Typen bekannt. Die vier häufigsten Vertreter, RL1 bis RL4, werden von dem Bakterium Pseudomonas aeruginosa als Mix produziert und in das Medium abgegeben. Obwohl Rhamnolipide exzellente Tensid-Eigenschaften aufweisen, werden sie bisher kaum industriell produziert, da herkömmliche Verfahren sehr kostenintensiv sind. Eine der höchsten Rhamnolipid-Konzentrationen (112 g/l) wurde 1997 mit dem Stamm P. aeruginosa realisiert. Dieser produktionsstarke Stamm ist aber ein Humanpathogen der Risikogruppe 2 - eine wirtschaftliche Herausforderung an den Produktionsprozess und die Produktionsstätte. Daher sind die Produktionskosten für Biotenside in der Regel auch etwa 40-mal höher als die synthetischer Tenside.

Der nicht-pathogene Pseudomonas-Stamm wird für die Produktion in Rundkolben kultiviert und bei ausreichender Bakteriendichte in den Fermenter überführt. Nach etwa 72 Stunden kann das bräunlich gefärbte Medium gewonnen werden, das die Rhamnolipide enthält. © SF/BIOPRO

Aus diesem Grund sucht man weltweit nach einem nicht-pathogenen Produktionsstamm. Aber die bisher erreichten Rhamnolipid-Konzentrationen alternativer Stämme waren um den Faktor 50 bis 400 geringer. Schließlich wurde man doch fündig. Die Firma Biotensidon ist heute im Besitz eines konkurrenzfähigen nicht-pathogenen Wildtyps von Pseudomonas aeruginosa. „Dieser Pseudomonaden-Stamm ist nachweislich nicht pathogen und es kann unter regulären Laborstandards mit ihm gearbeitet werden. Auch unter dem Aspekt der Verbraucherakzeptanz war das eine wichtige Voraussetzung", erläutert Dr. Alexandr Shulga, wissenschaftlicher Projektleiter der Biotensidon. „Dieser spezielle Stamm produziert ein Rhamnolipid-Gemisch der Di-Rhamnolipiden RL3 und RL4. Diese Rhamnolipide sind aufgrund ihrer Eigenschaften ideal, um bisher eingesetzte Tenside zu ersetzten und so ein Produkt maßgeblich aufzuwerten."

Die Biotensid-Produktion - eine Herausforderung in der weißen Biotechnologie

„Als Produktionsstandort konnten wir glücklicherweise optimale Räumlichkeiten in Bruchsal finden," so Hartmann. Das nötige wissenschaftliche Know-how für den Aufbau einer wirtschaftlich darstellbaren Rhamnolipid-Produktion fand man in einem ukrainischen Forscherteam des Science & Technology Center in Ukraine (STCU) in Kyiv. Daher wurde eine Kooperation mit dem STCU ausgehandelt. So konnte kurz darauf das mittlerweile 7-köpfige Spezialisten-Team um Shulga seine Arbeit aufnehmen.

Am Projekt und der Entwicklung des Fermenter-Prototypen waren unter anderem beteiligt (v.l.n.r.): Rolf Hartmann, Jörg Joegel, Dr. M. Pristai (Mikrobiologin) und Dr. Alexandr Shulga (wissenschaftliche Projektleitung). © SF/BIOPRO

„Wir konnten die im Labormaßstab schon funktionierende Rhamnolipid-Produktion in einen 100-Liter-Fermenter übertragen," erzählt Jörg Joegel, Technischer Leiter des Projektes. „Die eigentliche Herausforderung aus technischer Sicht war eine vermehrte Schaumbildung während der Produktion im Fermenter, was die Rhamnolipid-Produktion erheblich störte." Zusammen entwickelte man die Lösung: Ein neuartiger Innenausbau des Fermenters sorgt für minimales Schaumvorkommen. „So konnten wir auch auf den Einsatz chemischer Anti-Schaummittel verzichten," erklärt Joegel. Nach diesem Erfolg konnten nun Shulga und sein Team die nötigen Prozessparameter sowie die Nährmedium-Zusammensetzung für eine Überproduktion optimieren. „Im Labormaßstab wird eine Überproduktion von Rhamnolipiden bei Pseudomonaden durch eine Nährstoff-Limitation angeregt. Dieser Ansatz ließ sich aber nicht auf die Produktion im Fermenter übertragen. Dieses Problem haben wir nun auf anderem Wege lösen können," erläutert Shulga, der 20 Jahre Erfahrung im Bereich der Rhamnolipid-Produktion in die Entwicklung mit einbringt.

„Anfang Februar konnte nach zweieinhalb Jahren F&E-Arbeit zum ersten Mal Rhamnolipid-haltiges Medium aus dem 100-Liter-Fermenter gewonnen werden - in einer erfolgversprechenden Konzentration von 10 g/l. Und das Feintuning zahlte sich schon nach wenigen Wochen aus. Heute produzieren wir Rhamnolipide in einer Konzentration von 15 g/l im zellfreien Überstand," so Joegel. Eine erfolgreiche Produktion scheint nun realistisch, aber jedes neue Produkt ist mit einem wirtschaftlichen Risiko behaftet. Daher wurde die Produktion in einer separaten Tochtergesellschaft der Biotensidon erst einmal ausgegründet. „Da unsere Produktion jetzt läuft, können wir zusammen mit neuen Investoren das Vorhaben vorantreiben. Geplant ist die Installation mehrerer 250-Liter-Fermenter in den nächsten Monaten, um eine laufende Produktion sicherzustellen. Unser Trumpf: Die Biotensidon kann als etablierte Vertriebsgesellschaft für biologische Reinigungsmittel auf ein weltweites Vertriebsnetz zurückgreifen. Um die ersten Anfragen bedienen zu können, wird in Kürze ein Sprühtrockner zur Herstellung von reinem Rhamnolipid-Pulver angeschafft", so Hartmann.

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