Seit mindestens 4500 Jahren nutzen Menschen Tenside – so weit zurück datiert das erste bekannte Rezept für eine Seife. Ohne Tenside wäre die Welt auch heute um einiges schmutziger: Sie bilden die Grundlage für Spülmittel, Waschmittel, Haushaltsreiniger und Körperpflegeprodukte. Seit der Seifenherstellung durch die Sumerer sind die Anforderungen an Tenside jedoch gestiegen. Die oberflächenaktiven Moleküle sollen heute nicht nur wirksamer und zugleich hautverträglicher sein als früher. Sie sollen auch unproblematisch biologisch abbaubar sein und am besten aus nachwachsenden Rohstoffen erzeugt werden. Das Teilprojekt „LIPOMAR“ aus dem Verbundnetzwerk „BioKatalyse 2021“ macht das möglich: Die Forscher haben darin einen Prozess entwickelt, um hochwertige Tenside aus Algenabfällen zu produzieren.
Besondere Zucker
LIPOMAR steht für „Lipide und oberflächenaktive Stoffe aus mariner Biomasse“. „Die Zucker in Algen unterscheiden sich stark von denen in anderer Biomasse“, erläutert Projektkoordinator Georg Schirrmacher von der Firma Clariant Produkte (Deutschland) GmbH. Das Ziel sei es gewesen, diese Zucker zu extrahieren und auf deren Grundlage in einem biotechnologischen Prozess neue Tenside herzustellen. Die Idee, auf Makroalgen zu setzen, hatte die Projektpartnerin Kerstin Sahm von der Technischen Universität Hamburg-Harburg.
Als Rohstoffe dienten den Forschern Seegras, Braunalgen, Grünalgen und Rotalgen, die an den Stränden der Ostsee im Zuge der Strandreinigung im Tonnenmaßstab gesammelt werden. „Ich war überrascht, wie viele Algen da anfallen“, erzählt Schirrmacher. „Bislang vor zwei Jahren wurden diese Algen einfach kompostiert.“ Dabei sind die Algen ein optimales Ausgangsmaterial für die Produktion im industriellen Maßstab: „Wir können uns so von der Food-and-Feed-Debatte distanzieren“, begründet der Projektkoordinator. Denn andere nachwachsende Rohstoffe für die Herstellung von Chemikalien oder Kunststoffen konkurrieren meist mit Nahrungs- und Futtermitteln um endliche Anbauflächen. Die Algen im Projekt LIPOMAR sind sogar Abfälle.
Alle Ziele erreicht
Von einer guten Idee zu einem erfolgreichen Prozess ist es ein langer Weg. Drei Jahre, von September 2013 bis August 2016, arbeiteten Clariant, TU Hamburg-Harburg und weitere Partner an der TU München, dem Fraunhofer IGB und der Firma Hanseatische Umwelt CAM GmbH daran. Rund 1,2 Millionen Euro flossen in das Projekt, zu 34,5 Prozent gefördert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung. „Es sind alle Ziele erreicht worden“, freut sich Schirrmacher.
Doch auf dem Weg zum Erfolg warteten wichtige Lektionen. „Wir brauchten die Sortenreinheit der Algen für die Hydrolyse“, erinnert sich Schirrmacher. Denn jede Algensorte besitzt eine andere Zuckerzusammensetzung, und für jeden Zucker, der herausgelöst werden sollte, mussten die Forscher die geeigneten Enzyme identifizieren. Tatsächlich waren dafür meist nicht jene Standardenzyme nützlich, mit denen sonst Zucker aus Biomasse gewonnen werden. Das Team musste also die Zuckerzusammensetzung analysieren und anhand von Literaturrecherchen und Genomdatenbanken die passenden Enzyme bestimmen. Anschließend galt es, für die Enzyme die optimalen Arbeitsbedingungen wie Temperatur- und pH-Wert zu bestimmen.
Geeignete Bakterien für Fermentation
Die so gewonnenen Zucker mussten in einem nächsten Schritt zu Triglyceriden kombiniert werden. Die Forscher suchten daher nach mehreren Bakterienstämmen, die diesen Prozess effizient bewerkstelligen. Diese sollten unterschiedliche unterschiedliche Triglyceride produzieren, die dann zu unterschiedlichen Tensiden führen. Auch hier war zunächst eine Literaturrecherche von Nöten, dann erfolgte die experimentelle Entwicklung der optimalen Bedingungen für die Fermentation. Ziel war es, Bakterien und Bedingungen zu finden, die die gewünschten Stoffe in hoher Konzentration in möglichst kurzer Zeit produzieren. Parallel dazu suchten die Forscher auch nach Öl-produzierenden Hefen, die ebenfalls als Lipidproduzenten genutzt werden sollten. Zuletzt musste ein Verfahren gefunden werden, die Mikroorganismen aufzuschließen und die Lipide effizient aufzureinigen.
Abschließend ging es darum, aus den gewonnenen Rohstoffen – wieder mithilfe von Enzymen – das eigentliche Zielprodukt, die Tenside, herzustellen. Dabei gelang es den Forschern nicht nur, aus Zuckersäuren und Fettalkohol Ester – und damit ein Tensid – herzustellen. Auch ein erstes Upscaling dieses Produktionsverfahrens verlief erfolgreich.
In Rekordzeit zur Marktreife
„Solche Tenside konnten wir bislang nicht herstellen“, freut sich Schirrmacher. Zudem handelt es sich um ein Molekül, das – da es aus pflanzlichen Rohstoffe stammt – auch problemlos biologisch abbaubar ist. Inzwischen ist das Projekt abgeschlossen. Die Firma Clariant verfolgt die Entwicklung jedoch weiter. Die technische Machbarkeit einer Produktion im kommerziellen Maßstab – für ein Personal-Care-Produkt – ist bereits geklärt. Besonders günstige Eigenschaften in den Bereichen Schaumbildung und Löslichkeit soll das Produkt haben. Jetzt geht es noch um die Frage, ob das Verfahren auch wirtschaftlich ist.
„Ohne die Expertenkombination des Projekts hätten wir wohl keine Lösung gefunden“, betont der Projektkoordinator. „Die Kooperation aus akademischer Forschung und Unternehmensforschung ist wichtig, um Innovationen schnell auf den Markt zu bringen.“ Das benötige natürlich ein sehr gutes Projektmanagement, damit der Technologietransfer funktioniere. „Aber das lief hier sehr, sehr gut.“
Autor: Björn Lohmann
