Allianz Biotenside

Ziel der Innovationsallianz ist es, funktionsoptimierte Biotenside wirtschaftlich mit biotechnologischen Methoden aus heimischen nachwachsenden Roh- und Reststoffen herzustellen. Die Herstellung und Aufreinigung solcher Biotenside sollen so optimiert werden, dass diese in den Anwendungsbereichen Wasch- und Reinigungsmittel, Kosmetik, Bioremediation, Pflanzenschutz und Lebensmittel alternativ zu chemisch synthetisierten Tensiden eingesetzt werden können. Um dieses Ziel zu erreichen, haben sich erstmals in Deutschland renommierte Firmen und Forschungseinrichtungen strategisch zusammengeschlossen und bilden somit seit 2018 eine weltweit einzigartige Innovationsallianz im Bereich der Biotenside.

Förderzeitraum:

Phase 1: 01.01.2018 – 28.02.2021

Phase 2: 01.07.2021 – 30.06.2024

Förderkennzeichen:

031B0469M (Phase 1) und 031B1059M (Phase 2)

Innerhalb der Innovationsallianz werden verschiedene Biotenside fermentativ oder enzymatisch hergestellt. Durch den Einsatz von unterschiedlichen Mikroorganismen, Enzymen und Rohstoffen können die grenzflächenaktiven Eigenschaften über einen weiten Bereich variiert und so die funktionellen Eigenschaften optimiert werden. Mithilfe dieser strukturbasierten Entwicklung sollen Biotenside mit anwendungsangepassten funktionellen Eigenschaften definiert und hergestellt werden. Über die gesamte Prozesskette hinweg erfolgt entwicklungsbegleitend eine Nachhaltigkeitsanalyse und -bewertung der verwendeten nachwachsenden Rohstoffe, der verwendeten Prozesse und hergestellten Produkte sowie eine Bewertung der technologischen Reife, Wirtschaftlichkeit und der Marktrelevanz der entwickelten Produkte.

Während der 1. Förderphase wurde die Bereitstellung regional verfügbarer zucker-, fett- und ölhaltiger Rohstoffe betrachtet, verschiedenste Mikroorganismen zur Herstellung unterschiedlicher Biotensidklassen untersucht und vielversprechende Kandidaten für eine anschließende Prozessentwicklung im Labormaßstab ausgewählt. Die Prozessentwicklung umfasste einerseits die Optimierung der mikrobiellen und enzymatischen Herstellung verschiedener Biotensidstrukturvarianten und andererseits die Weiterentwicklung der Produktaufarbeitung zur Gewinnung aufgereinigter Biotenside. Die Biotenside wurden anschließend für anwendungstechnische Untersuchungen zur Verfügung gestellt und potenzielle Anwendungsgebiete identifiziert. Begleitet wurden die Arbeiten durch Ökobilanzierungen und techno-ökonomische Evaluierungen.

In der 2. Förderphase soll eine schrittweise Skalierung in die nächsten Größenordnungen ermöglicht werden, indem die Fermentations- und Aufarbeitungsprozesse hinsichtlich robuster, regel- und steuerbarer Prozesse und vereinfachter Aufarbeitungsmethoden weiterentwickelt werden. Unbekannte biologische Kenndaten und fehlende Apparate oder technische Entwicklungen im größeren Maßstab stellen erhebliche Risiken für einen zu frühen Scale-up in den m3-Maßstab dar. So kann es in der Fermentation zu einem unkontrollierten Schäumen, zur Überdosierung von Feed oder der Verarmung von essenziellen Nährkomponenten kommen. Dies führt zu einer nicht-reproduzierbaren Biotensidsynthese oder dem Erliegen des Prozesses. Betrachtet man die Aufreinigungsstrecke, so stellt eine aufwendige Aufarbeitung oft den größten Kostentreiber dar. Hier gilt es vorhandene und innovative Technologien zu untersuchen, zu verknüpfen und zu optimieren, so dass die Anzahl der Aufarbeitungsschritte der Biotenside minimiert wird. Dieser ganzheitlichen prozesstechnischen Risiko- und Kostenminimierung widmen sich die Partner in der 2. Projektphase.  Es sollen außerdem offene Fragen innerhalb der Performanceprofile einzelner Anwendungsbereiche durch die Bereitstellung größerer Mustermengen im Detail beantwortet werden.

Beck, A., and Zibek, S. (2020). Growth Behavior of Selected Ustilaginaceae Fungi Used for Mannosylerythritol Lipid (MEL) Biosurfactant Production – Evaluation of a Defined Culture Medium. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology 8. https://doi.org/10.3389/fbioe.2020.555280

Oraby, A., Werner, N., Sungur, Z., and Zibek, S. (2020). Factors Affecting the Synthesis of Cellobiose Lipids by Sporisorium scitamineum. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology 8. https://doi.org/10.3389/fbioe.2020.555647

Beck, A., Vogt, F., Hagele, L., Rupp, S., and Zibek, S. (2022). Optimization and Kinetic Modeling of a Fed-Batch Fermentation for Mannosylerythritol Lipids (MEL) Production With Moesziomyces aphidis. Front Bioeng Biotechnol 10, 913362. https://doi.org/10.3389/fbioe.2022.913362

Oraby A, Rupp S and Zibek S (2022) Techno-Economic Analysis as a Driver for Optimisation of Cellobiose Lipid Fermentation and Purification. Front. Bioeng. Biotechnol. 10:913351. https://doi.org/10.3389/fbioe.2022.913351

Oraby, Amira, Isabell Weickardt, and Susanne Zibek. "Foam fractionation methods in aerobic fermentation processes." Biotechnology and Bioengineering 119.7 (2022): 1697-1711. https://doi.org/10.1002/bit.28102