Pressure Dependent Changes in CO2-Concentrations Modulate the 3-Hydroxyvalerate Fraction in Terpolymeric Polyhydroxyalkanoates
Wie lassen sich die Eigenschaften von Biokunststoff gezielt einstellen, ohne die chemische Zusammensetzung des Ausgangsmaterials zu verändern?
Diese Fragestellung ist eine zentrale Herausforderung im Design von Biokunststoffen, da die Kohlenstoffquelle oft nicht so flexibel zu wählen ist, wie es nötig wäre, um die Polymere auf spezifische Anwendungen maßzuschneidern.
Forschende des IGVP und des Fraunhofer IGB haben nun gezeigt, dass ein häufig unterschätzter Prozessparameter, der Druck, einen entscheidenden Einfluss auf die Zusammensetzung und damit potenziell auch auf die Materialeigenschaften von Polyhydroxyalkanoaten (PHA) haben kann. Der Druck hat hierbei einen großen Einfluss auf die Löslichkeit eines wohlbekannten Gases: CO2. Der Einfluss dieses Gases auf biotechnologische Prozesse ist zwar allgemein bekannt, der Einsatz als Tuning-Parameter für Biokunststoffe ist jedoch ein völlig neuer Einsatz und erlaubt maßgeschneiderte Polymere ohne die Kohlenstoffquelle zu modifizieren.
Diesen Zusammenhang haben Forschende unseres Instituts in einer Studie im Biotechnology Journal untersucht. Die Forschenden berichten die Produktion des Biokunststoffs PHBVV, einem speziellen PHA, durch Cupriavidus necator NCIMB 11599 auf Basis von Lävulinsäure in Reaktormaßstäben von 42 L bis 1 m³.
Die Studie zeigt, dass erhöhte hydrostatische und Kopfraumdrücke die Löslichkeit von CO₂ im Fermentationsmedium steigern und dadurch die Polymerzusammensetzung gezielt beeinflussen können. Mit steigender CO₂-Konzentration erhöhte sich der Anteil der Monomereinheit 3-Hydroxyvalerat im Polymer von etwa 48 auf bis zu 69 Gewichtsprozent. Gleichzeitig identifizierte das Team den Fermenterdruck als bislang häufig unterschätzten Prozessparameter für die Skalierung der PHBVV-Produktion.
Die Ergebnisse liefern neue Erkenntnisse zum Zusammenhang zwischen Prozessbedingungen, CO₂-Stoffwechsel und Polymerbildung und schaffen eine Grundlage für die gezielte Einstellung von Materialeigenschaften biobasierter Kunststoffe im industriellen Maßstab.