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Projekte - Details

Verbundvorhaben: Vorprojekt zur Entwicklung einer biobasierten Beschichtung zur Textilveredlung auf Basis von Polyhydroxyalkanoaten (BiPoTEX); Teilvorhaben 2: Herstellung und Bewertung unterschiedlicher PHA-Varianten - Akronym: BiPoTEX

Anschrift
Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik (IGB)
Nobelstr. 12
70569 Stuttgart
Projektleitung
Dr.-Ing. Susanne Zibek
Tel: +49 711 970-4167
E-Mail schreiben
FKZ
2221NR012B
Anfang
01.07.2021
Ende
30.06.2023
Ergebnisverwendung
Am IGB wurde eine Literaturrecherche durchgeführt und geeignete Bakterien und Substrate für die PHA- Produktion herausgearbeitet. Bezüglich der Biomassekonzentration (Median, Mittelwert) lieferte die Literatur leicht höhere Biomassen für die Produktion von mcl-PHAs. Insbesondere mit P. putida wurde eine maximale Biomassekonzentration von 160 g/L erreicht. Hinsichtlich des PHA-Gehalts in der Biomasse akkumulieren dagegen die scl-PHA-Produzenten, vor allem C. necator, im Durchschnitt höhere Anteile an PHA. Diese beiden Produzenten wurden in der Recherche am häufigsten beschrieben, weshalb zahlreiche Daten zu Medien, Prozesssteuerung und Substrate vorlagen, was zu Auswahl dieser Organismen führte. P. putida zeigte ein optimales Wachstum von 6,4 g/L bei einer Glukosekonzentration von 10 g/L und einem C/N-Molverhältnis von 5. Das optimierte Medium wurde für die mikrobielle Produktion von PHA in Fed-Batch- Fermentation verwendet. Die PHA-Produktion wurde für beide Mikroorganismen in zwei Phasen durchgeführt. Eine Batch-Phase zur Bildung von Biomasse aus Glukose, gefolgt von einer PHA-Akkumulationsphase aus Fettsäure im Fed-Batch-Verfahren. Bei Zugabe von Hexansäure produzierte P. putida 8,3 g/L Biomasse mit einem PHA-Gehalt von 40,4 %. Auf Octansäure und Nonansäure wurde 12,27 g/L Biomasse mit einem PHA-Gehalt von 40 % bzw. 20,93 g/L Biomasse mit einem PHA-Gehalt von 67,7 % CDW erzeugt. Das Polymer wurde durch den Vergleich der 13C- NMR-Spektren mit den auf dem Markt erhältlichen mcl-PHAs als solches identifiziert. Darüber hinaus wurde scl-PHA von C. necator mit einem PHA-Gehalt von 85,5 % CDW durch die Fütterung von Lävulinsäure produziert. Die 1H- NMR-Daten deuten darauf hin, dass es sich bei dem von C. necator produzierten PHA um ein PHBV-Copolymer mit einem PHV-Anteil von 35-40 % handelt. Das vom IGB hergestellte PHA wurde zur thermischen Analyse und zur Untersuchung der Textilbeschichtung an die DITF geschickt.
Aufgabenbeschreibung
Ziel des Vorprojekts ist die Bewertung des technischen Potentials zum erstmaligen Einsatz von Polyhydroxyalkanoat (PHA), einem mikrobiell hergestellten Biopolymer, als Beschichtungsmittel in der Textilindustrie. Im Vorprojekt wurde untersucht, ob die bisher eingesetzten erdölbasierten Beschichtungssysteme, insbesondere Polyacrylate (PAC) und Polyurethane (PUR) durch PHAs mittlerer Kettenlänge (mcl-PHAs) oder durch Copolymere (Polyhydoxybuttesäure-co-Polyhydroxyvaleriansäure) ersetzt werden können. Außerdem wurde deren Potential zur Herstellung von Technischen Textilien (z. B. für die Bereiche Berufsbekleidung, Heimtextilien, Outdoor und Automotive) evaluiert. Dadurch soll der Einsatz der erdölbasierten PACs und PURs, verringert bzw. im bestmöglichen Fall komplett ersetzt werden. Mit diesen Entwicklungen wird die Wettbewerbsfähigkeit durch die Nutzung biologischer Ressourcen in Deutschland gesichert und gestärkt. Das Fraunhofer IGB war an der Herstellung verschiedener PHA-Varianten beteiligt. Am IGB wurde eine Mediumoptimierung für Pseudomonas putida durchgeführt und die Wachstumsrate untersucht. Dazu wurden verschiedene Kohlenstoffquellen, deren Konzentration und C/N-Verhältnis verglichen, um die optimalen Wachstumsbedingungen für P. putida zu ermitteln. Das Medium und die Vorkulturführung für die Kultivierung des Cupravidus necator-Stammes wurden aus der Literatur und Erfahrungen des IGB übernommen. Für die PHA-Produktion wurde ein Fed-batch-Verfahren angewandt, und die Fermentation erfolgte in einem 7,5-L-Reaktor. Drei Varianten von mcl-PHA (Poly-3-hydroxyhexanoat (C6-), Poly-3-hydroxyoctanoat (C8-) und Poly-3-hydroxynonanoat (C9-PHA)) wurden unter Verwendung von P. putida hergestellt, und der Stamm C. necator wurde zur Herstellung von PHBV verwendet. Das PHA wurde mittels Lösemittel extrahiert und durch Ausfällung in eiskaltem Alkohol gereinigt. Das gereinigte PHA wurde mittels Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) analysiert, um das PHA-Monomer zu identifizieren.

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