ChiBio – Chitin aus Fischereiabfällen als Rohstoff zur Herstellung von Spezialchemikalien

von Dr. rer. nat. Lars O. Wiemann, Prof. Dr. rer. nat. Volker Sieber

Hinweis: Seit Anfang 2015 wurde die Projektgruppe BioCat in die Bund- Länder-Finanzierung der Fraunhofer-Gesellschaft übernommen und ist seitdem Institutsteil des Fraunhofer IGB. (Mehr...)

Fraunhofer-Projektgruppe BioCat

2009 nahm die Straubinger Fraunhofer-Projektgruppe »Katalytische Verfahren für eine nachhaltige Rohstoff- und Energieversorgung auf der Basis nachwachsender Rohstoffe BioCat« ihre Arbeit auf. Sie gehört zum Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB in Stuttgart. Im Fokus ihrer Forschung steht die Entwicklung katalytischer Verfahren und neuer Produkte aus nachwachsenden Rohstoffen und CO2. Schlüsseltechnologien der chemischen Katalyse sowie der industriellen/weißen Biotechnologie kommen dabei ebenso zum Einsatz wie die Kombination von Chemo- und Biokatalyse. Angestrebt ist es, eine bestmögliche Wertschöpfung vom Rohstoff Biomasse zum biobasierten Endprodukt zu erreichen.

ChiBio – Projektziel

Bei der Verarbeitung von Krabben, Krebsen und Garnelen fallen große Mengen chitinhaltiger Schalenabfälle an. Weltweit landen jährlich mehr als 6 Millionen Tonnen dieser Krebstierschalen auf dem Müll, davon schätzungsweise allein mehrere Hunderttausend Tonnen innerhalb der EU [1]. Ein geringer Teil dieser biogenen Ressource wird bereits einer Nutzung zugeführt und beispielsweise in Asien zur Herstellung von Chitosan verwendet, das für biomedizinische Applikationen oder als Nahrungsmittelzusatz zum Einsatz kommt [2]. Die Verwendung europäischer Schalen ist aufgrund höherer Kalkanteile weniger wirtschaftlich und eher selten. Eine fachgerechte Entsorgung der kontaminationsanfälligen Schalenabfälle ist aber aufgrund EU- und länderspezifischer Auflagen aufwendig und kostspielig.

In dem von der EU geförderten Projekt ChiBio arbeitet ein internationales Team von Forschern unter der Leitung der Fraunhofer-Projektgruppe BioCat in Straubing an neuen Prozessen, um die in der EU anfallenden Schalenabfälle als Rohstoffquelle für Spezialchemikalien zu erschließen. Dabei verfolgt ChiBio den Ansatz einer Bioraffinerie, um den biogenen Reststoff ganzheitlich, das heißt stofflich und energetisch, zu nutzen.

"ChiBio" - Projektübersicht

Stabilisierung der Schalen und Mobilisierung von Chitin

In einem ersten Prozessschritt werden Methoden erarbeitet, um die Schalenabfälle vorzubehandeln und zu stabilisieren, und dadurch lagerstabil und transportfähig zu machen. Ein weiterer wichtiger Prozessschritt ist die Mobilisierung von Chitin, einem N-haltigen Biopolymer. ChiBio entwickelt unter Leitung des Letterkenny Institute of Technology Prozesslösungen zur schonenden Mobilisierung der Chitin-, Protein- und Lipidfraktionen auf Basis nachhaltiger chemischer, mikrobiologischer und enzymatischer Methoden.

Enzymatische Spaltung von Chitin

Ein weiterer elementarer Prozessschritt ist die Spaltung des Chitins oder des durch Deacetylierung gewonnenen Chitosans in seine monomeren Zuckereinheiten N-Acetylglucosamin bzw. Glucosamin. Bisherige chemokatalytische Verfahren sind nicht sonderlich nachhaltig. ChiBio entwickelt deshalb biokatalytische Aufschlussverfahren und verwendet dazu Chitin abbauende Enzyme aus prokaryotischen und eukaryotischen Organismen wie Trichoderma-, Aspergillus-, Bacillus- und Aeromonas-Stämmen. Besonders nützlich ist hier die Expertise des norwegischen Partners Prof. Dr. Vincent Eijsink (UMB) im Umgang mit Enzymen aus der CBM33-Familie. Diese Enzyme erhöhen die Geschwindigkeiten des Chitinabbaus deutlich [3], müssen aber in einigen Fällen noch optimiert werden. Ergänzt werden diese Arbeiten durch eigene Chitinasen und auch Chitin-Deacetylasen am Fraunhofer IGB in Stuttgart [4]. Gegenwärtig laufen intensive Arbeiten, um die Enzym-Cocktails ideal aufeinander abzustimmen und an industrielle Prozessbedingungen bzw. Produktionsverfahren im technischen Maßstab anzupassen.

Umsetzung von Glucosamin zu N-haltigen Polymeren

Die Chitin-/Chitosan-Abbauprodukte (Hydrolysate und Monomere) dienen als Substrate für biotechnologische Verfahren zur Herstellung von N-haltigen funktionalen Monomeren für die Polymerindustrie. N-haltige Verbindungen für die Herstellung von Polyamiden und Isocyanaten sind für die Polymerindustrie von besonderem Interesse und können bis dato nicht auf Basis nachwachsender Rohstoffe bereitgestellt werden. ChiBio verfolgt hier zwei unterschiedliche Routen: Die Arbeitsgruppe Industrielle Biokatalyse der TU München unter Leitung von Prof. Dr. Thomas Brück (IBB-Netzwerkmitglied) entwickelt optimierte Hefestämme, um die Chitin-Hydrolysate bzw. Glucosamin fermentativ zu funktionalisierten Fetten/Fettsäuren und den korrespondierenden Aminocarbonsäuren umzusetzen. In einem parallelen Ansatz arbeitet die Projektgruppe BioCat mit Methoden der zellfreien Biotechnologie an einem Multienzymverfahren, um aus Glucosamin funktionalisierte Heterozyklen herzustellen. Ein Großteil der benötigten Enzyme steht mittlerweile rekombinant zur Verfügung und wird gegenwärtig mit Methoden des Enzym-Engineerings sukzessive optimiert. Die aufgereinigten Produkte beider Routen werden dann als bifunktionale Monomere direkt in der Polymerindustrie eingesetzt.

Weitere Arbeiten

Effiziente Aufreinigungsmethoden werden durch die ChiBio-Partner Clariant (IBB-Netzwerkmitglied) und das Fraunhofer ICT (IBB-Netzwerkmitglied) durchgeführt. Die Polymerisationsversuche mitsamt der Charakterisierung der Polymereigenschaften werden in den Laboren der Evonik Industries AG durchgeführt. Anfallende biologische Nebenprodukte wie Proteine und Lipide werden auf ihre Eignung als Substrate für die Biogasgewinnung untersucht.

Prozesskette im Projekt ChiBio.
Prozesskette im Projekt ChiBio.

 

Leistungsangebot

Die Projektgruppe BioCat kombiniert Bio- und Chemokatalyse in enger Zusammenarbeit mit der TU München und den Abteilungen des Fraunhofer IGB und dem Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT, Pfinztal. In gemeinsamen Projekten werden so Themen zu nachwachsenden Rohstoffen behandelt, die u. a. neue Impulse für die Biopolymerindustrie liefern.

  • Hochauflösende NMR-Analytik (400 MHz) in Lösung zur Molekülstrukturaufklärung, Reaktionsverfolgung, Tieftemperaturanalytik, u. a. 1D 1H-/19F-/13C-/31P-/15N-Messungen und 2D-Anwendungen inkl. Methodenentwicklung
  • Screening von Bio- und Chemokatalysatoren
  • Molekularbiologische und technische Optimierung von Enzymen und Enzymreaktionen
  • Auftragssynthese von Feinchemikalien
  • Entwicklung von Verfahren zur Reststoffverwertung
  • Entwicklung von Verfahren zur Integration nachwachsender Rohstoffe in bereits bestehende Prozesse
  • Durchführung von Studien im Bereich nachwachsender Rohstoffe

Literatur

[1] FAOSTAT, FAO statistical databases, fisheries data (2001) Food and Agriculture organization of the United Nations, Rome, Italy (http://www.fao.org)

[2] Kandra, P.; Challa, M. M.; Jyothi, H. K. P. (2012) Efficient use of shrimp waste: present and future trends, Appl Microbiol Biotechnol 93: 17-29

[3] Vaaje-Kolstad, G.; Westereng, B.; Horn, S. J.; Liu, Z.; Zhai, L. H.; Sorlie, M.; Eijsink, V.G.H. (2010) An oxidative enzyme boosting the enzymatic conversion of recalcitrant polysaccharides, Science 330: 219-222

[4] Moß, K. S.; Hartmann, S. C.; Müller, I.; Fritz, C.; Krügener, S.; Zibek, S.; Hirth, T.; Rupp, S. (2012) Amantichitinum ursilacus gen. nov., sp. nov., a chitin-degrading bacterium found at the Bärensee, Stuttgart, Germany, Int J Syst Evol Microbiol ijs. ijs.0.034447-0v1-ijs.0.034447-

Förderung

Wir danken der Europäischen Union für die Förderung des Forschungsprojekts »ChiBio« im 7. Forschungsrahmenprogramm (FP7/2007-2013), Förderkennzeichen 289284.