Milchsäure ist nicht nur Bestandteil vieler Lebensmittel, sondern längst ein wichtiger Kandidat bei der Herstellung biobasierter und biologisch abbaubarer Kunststoffe. Der wohl bekannteste Biokunststoff ist die Polymilchsäure (PLA). Milchsäure wird biotechnologisch mithilfe verschiedener Bakterien hergestellt. Ausgangsstoff für die Milchsäurefermentation sind häufig natürliche Rohstoffe wie Pflanzenreste.
Im Projekt „BranLact“ hat sich ein deutsch-chinesisches Forscherteam auf Reststoffe der Reisverarbeitung konzentriert. In dem 2016 gestarteten Dreijahresprojekt wurde eine Methode entwickelt, um entfettete Reiskleie für die Milchsäurefermentation nutzbar zu machen und sie als Ausgangsstoff für die Herstellung biobasierter Kunststoffe auf Milchsäurebasis zu erschließen. Das Vorhaben wurde im Rahmen der Fördermaßnahme "Bioökonomie International" vom Leibniz-Institut für Agrartechnik und Bioökonomie (ATB) in Potsdam koordiniert und vom Bundesforschungsministerium mit rund 367.000 Euro gefördert. Projektpartner war die University of Chemical Technology in Beijing (BUCT).
Mit Reststoffen Milchsäure kostengünstig herstellen
Das Team um Projektkoordinator Joachim Venus ist auf Milchsäurefermentation spezialisiert und hat schon mit verschiedensten Roh- und Reststoffen experimentiert. Venus weiß um die Herausforderung, solch neue Verfahren zu etablieren: „Wenn wir Biokunststoffe auf den Markt bringen wollen, müssen sie vom Preis her wettbewerbsfähig sein und gleiche oder sogar bessere Eigenschaften bieten. Deshalb müssen wir mit solchen Materialien reingehen, die besonders günstig sind.“ Die Nutzung von Reststoffen wie der Reiskleie ist demnach ein wichtiger Kostenfaktor, um den Prozess der Milchsäurefermentation wirtschaftlich attraktiv zu machen. Der Grund: Biomasse bringt von Natur aus Kohlenstoff und Nährstoffe mit, die als Nahrung für die Mikroben andernfalls extra gekauft werden müssten.
Prozess bei höheren Temperaturen sichern
Zugleich muss aber auch der Fermentationsprozess reibungslos über die Bühne gehen und am Ende ein Produkt liefern, das hochgradig rein ist. Ziel des Projektes BranLact war es daher, einen stabilen kontinuierlichen Prozess der Milchsäurefermentation aus Reiskleie zu etablieren, der bei höheren Temperaturen abläuft.
Zunächst musste aber die Reiskleie charakterisiert werden. Es galt zu klären, in welchem Maße sie Zucker, Stärke, Fette oder andere Nährstoffe enthält. „Hier haben wir gesehen, dass viele Bestandteile von unseren Mikroorganismen gar nicht direkt verstoffwechselt werden können. Daher mussten wir den Reststoff erst vorbehandeln, damit die Bakterien Zucker zur Verfügung haben, die sie für ihren Stoffwechsel verwenden und daraus Milchsäure herstellen können“, erklärt Venus.
Konti-Fermentation: Versuchsaufbau zur kontinuierlichen Fermentation mit Zellrückhaltung im Labormaßstab (3 Liter)
Zahlreiche Tests waren nötig, um zu sehen, welche Bakterienstämme unter welchen Bedingungen schließlich ausreichend Milchsäure aus der Reiskleie fermentieren können. Die Temperatur spielt dabei eine besondere Rolle. „Wenn wir bei relativ moderater Temperatur von 40 Grad arbeiten würden, könnten sich alle Keime, die im Wasser, an der Luft oder den Oberflächen haften, über unseren Zucker hermachen, den wir eigentlich unseren Milchsäurebakterien zum Fraß vorwerfen“, erläutert Venus. Andererseits: Bei zu hohen Temperaturen sind Bakterien meist nicht mehr arbeitsfähig. Hier konnte das ATB-Team von seinen langjährigen Erfahrungen bei der Milchsäurefermentation und der eigenen Stammsammlung profitieren. „In China wurde bereits mit Bakterien experimentiert, die bei 40 Grad Celsius fermentiert wurden. Wir haben neue Bakterien verwendet, die auch bei 52 Grad ihre Arbeit verrichten“, sagt Venus.
Bacillus coagulans überzeugt als Milchsäurebildner
Um Milchsäure aus der Reiskleie zu fermentieren, kamen so genannte Milchsäurebildner zum Einsatz – also Bakterien, die in der Lage sind, Milchsäure zu erzeugen. 43 Bacillus-Stämme wurden in einem ersten Schritt im Schüttelkolben getestet. Bei 52 Grad Celsius und einem pH-Wert von 5,5 überzeugten drei Kandidaten bei der Milchsäurebildung. Diese wurden in einem zweiten Schritt unter konstanten Bedingungen nochmals einem Härtetest im Fermenter unterzogen. Ein Hefeextrakt diente hierbei als Turbo, um die Milchsäurebildung zu beschleunigen. Im Ergebnis war es der Bakterienstamm Bacillus coagulans, der unter diesen Bedingungen die meiste Milchsäure aus der Reiskleie herausholte.
1.000 Liter Milchsäure aus Reiskleie gewonnen
„Zum Schluss kam es darauf an, sowohl einen stabilen kontinuierlichen Prozess zu demonstrieren als auch in einem größeren Maßstab.“ Ein ganz entscheidender Parameter bei der kontinuierlichen Kultivierung war die richtige Durchflussrate, so Venus. Sie bestimmt, welche Zeit die Bakterien im Fermenter zur Verfügung haben, um die Reiskleie zu verstoffwechseln. Seine erfolgreichen Laborversuche konnte das ATB-Team anschließend in der hauseigenen Pilotanlage bestätigen. Nach Angaben des Projektkoordinators konnten 1.000 Liter Milchsäure im Fermenter aus dem Reststoff Reiskleie gewonnen werden – und das auch in der für die spätere Kunststoffverarbeitung nötigen hohen Reinheit.
Prozess auf andere Rohstoffe übertragbar
Der von den Potsdamer Forschern entwickelte Fermentationsprozess zur Milchsäureherstellung ist aber keinesfalls auf Reiskleie beschränkt. Daher hoffen die Wissenschaftler, auch in Deutschland Partner zu gewinnen. „Die Ergebnisse aus dem Projekt sind auch auf andere Rohstoffe übertragbar, wie etwa Reststoffe, die in Stärke- und Zuckerfabriken anfallen. De facto können wir der Industrie Informationen in die Hand geben, wie solche Verfahren in Zukunft möglich sind.“
Autorin: Beatrix Boldt
