Lange Nacht der Wissenschaften: automatisiertes Fütterungssystem zur Bioplastik-Produktion aus tierischen Abfallfetten
Exakte Bestimmung des Zeitpunkts für die „Ernte“ von vollständig
abbaubarem Bioplastik
Lange Nacht der Wissenschaften 2023
TU-Bioverfahrenstechniker entwickeln ein automatisiertes Fütterungssystem
zur Herstellung von PHA aus tierischen Abfallfetten
Im Hinterhof der Ackerstraße 76 in Berlin-Mitte wird Zukunft hergestellt.
Sie kommt als strahlend weißes feinstes Pulver daher, trägt den Namen
Polyhydroxyalkanoat, kurz PHA und wird als Bioplastik bezeichnet. Auf PHA
ruhen große Hoffnungen, soll es doch die bislang aus Erdöl, Erdgas und
Kohle, also aus fossilen Rohstoffen, erzeugte Plastik ersetzen.
Hergestellt wird das feine weiße Pulver aus braun glänzendem tierischem
Fett oder einer bocklig riechenden an grobe Leberwurst erinnernde Paste.
Es sind Abfälle aus der Gastronomie und aus der Heparingewinnung, jenem
Stoff, der aus der Dünndarmschleimhaut des Schweines gewonnen wird und die
Blutgerinnung hemmt, um zum Beispiel Thrombosen zu verhindern. Wie aus
tierischen Abfällen ein Material wird, dass ähnlich thermoplastisch
verformbar ist wie erdölbasiertes Plastik, aber nicht die Meere, Flüsse
und Böden verseucht, sondern vollständig biologisch abbaubar ist, daran
forschen die Bioverfahrenstechniker Prof. Dr.-Ing. Sebastian L. Riedel und
Saskia Waldburger am Fachgebiet Bioverfahrenstechnik von Prof. Dr. Peter
Neubauer.
Ergebnis 1: Automatisiertes und maßgeschneidertes Fütterungssystem
„Vor sechs Jahren begannen wir mit unseren Forschungen an der TU Berlin.
Nun ist es uns unter anderem gelungen, ein automatisiertes
Fütterungssystem zu entwickeln, das es uns ermöglicht, die höchstmögliche
Ausbeute an PHA in unserem Labor-Bioreaktor zu erzielen“, sagt Dr.-Ing.
Sebastian L. Riedel, der seit März 2023 eine Professur an der Berliner
Hochschule für Technik innehat, seine Forschungen zu PHA an der TU Berlin
jedoch fortsetzt.
Das Problem der tierischen Abfallfette ist, dass sie bei Raumtemperatur
fest sind. Sie müssen jedoch verflüssigt werden, um sie durch die engen
Schläuche in den Labor-Bioreaktor pumpen zu können, wo Bakterien mit
diesen Fetten im wahrsten Sinne des Wortes gefüttert werden und was sie
dann zu PHA synthetisieren. Deshalb sprechen Sebastian L. Riedel und
Saskia Waldburger von einem Fütterungssystem. „Verwenden wir die Reste,
die nach der Heparingewinnung von der Schweine-Dünndarmschleimhaut
zurückbleiben, das ist ein Proteinfettgemisch, setzen wir Druckluft ein.
Das feste Proteinfettgemisch befindet sich in einer länglichen Kartusche.
Magnetventile steuern die Zugabe der Druckluft, wodurch das feste Gemisch
als Faden in den Bioreaktor fällt. Sind unsere tierischen Fette jedoch
Abfälle aus der Gastronomie oder aus der Weiterverarbeitung von
Lebensmittelabfällen, verflüssigen wir die Fette in einem Wasserbad bei 80
Grad Celsius und bestrahlen die Apparaturen zusätzlich mit Infrarotlampen,
um ein Verfestigen zu verhindern. Beide Prozesse sind computergestützt
automatisiert und auf den jeweiligen tierischen Abfallstoff abgestimmt,
sozusagen maßgeschneidert“, sagt Saskia Waldburger.
Die so verflüssigten Fette fallen beziehungsweise tropfen dann in den
Labor-Bioreaktor. Dort zirkuliert eine beigefarbene „Zellbrühe“. Das ist
eine Mineralsalzlösung, in der die wichtigsten Akteure dieses Prozesses –
aus tierischen Abfallfetten PHA herzustellen – hocken: Bakterien, die auf
den Namen Cupriavidus necator hören und als Knallgasbakterien bekannt
sind. „Die Bakterien füttern wir mit Stickstoff, Phosphor, Sauerstoff und
Kohlenstoff. Und unsere Kohlenstoffquellen sind die bereits gennannten
tierischen Abfallfette. Dann lassen wir die Bakterien wachsen und das PHA
produzieren. Das geschieht, in dem wir C. necator nach einer gewissen Zeit
den Stickstoff entziehen, aber weiterhin Kohlenstoff zuführen. Den
überschüssigen Kohlenstoff legen die Bakterien als Energiereserve in Form
von PHA in ihren Zellen an. Das wird als weiße Kügelchen in den Zellen der
Bakterien eingelagert“, erläutert Saskia Waldburger das Verfahren.
Ergebnis 2: Prozessüberwachung mit der Photonendichtewellen-Spektrosk
Diesen Wachstums- und Produktionsprozess können die Wissenschaftler nun
auch beobachten – in Echtzeit und inline, das heißt, sie können in die
Zelle hineinschauen. Dafür haben sie die Photonendichtewellen-
Spektroskopie, die von Kollegen der Universität Potsdam entwickelt wurde,
eingesetzt. Eine bahnbrechende Innovation bei der PHA-Herstellung: Zum
einen zeigt diese Messmethode an, wenn das Wachstum der Bakterien abfällt
und deshalb wieder Fett zugegeben werden muss. Zum anderen ermöglicht sie
erstmals, exakt den Zeitpunkt zu bestimmen, an dem die Bakterien das
meiste PHA produziert haben und die „Ernte“ des PHA aus den Zellen
beginnen kann. „Geerntet“ wird das PHA, indem die Bakterien zunächst
mittels einer Zentrifuge von der „Zellbrühe“ getrennt und
gefriergetrocknet werden. Zurückbleiben gelbe flockenartige Zellen, aus
denen das PHA mit einem Lösungsmittel extrahiert werden muss. Und da
Riedel und Waldburger an Bioverfahren arbeiten, kommen umweltschädliche,
halogenhaltige Lösungsmittel nicht in Frage.
„Die Überwachung der Kultivierung, also des Wachstums der Bakterien und
der PHA-Produktion ist ein wichtiger Teil unseres automatisierten
Fütterungsprozesses und ein Meilenstein in unserer PHA-Forschung auf dem
Weg, die PHA-Produktion aus dem Labor in die industrielle Anwendung
überführen zu können“, so Riedel.
Ergebnis 3: Übertragung vom Labor- auf den Pilotmaßstab
Auf dem Weg zur industriellen Anwendung ist den TU-Wissenschaftlern
ebenfalls ein wichtiger Zwischenschritt gelungen: die Skalierung vom 3
-Liter-Bioreaktor auf einen 750-Liter-Bioreaktor, also vom Labor- auf den
Pilotmaßstab. Ihr Kooperationspartner, die Universiti Sains Malaysia,
verfügt über einen solchen 750-Liter-Bioreaktor. Aus 50 Kilogramm
Bakterienzellen wurden im vergangenen Jahr 35 Kilogramm reines, weißes
pulverförmiges PHA gewonnen. So viel wie noch nie in den sechs Jahren
ihrer Forschung.
Das PHA, das auch die Struktur von Seidenpapier oder Popcorn haben kann,
könnte die Grundlage sein für Folien, Fasern und Beschichtungen von
Papier. „Unser Fokus liegt auf Papierbeschichtungen“, sagt Sebastian L.
Riedel.
Derzeit werden weltweit pro Jahr etwa 50 000 Tonnen PHA-Bioplastik
hergestellt. Im Vergleich dazu: Die jährliche Plastikherstellung aus
fossilen Rohstoffen liegt weltweit bei 450 Millionen Tonnen, das
9.000-fache. „Die Produktion von Bioplastik muss also enorm erhöht werden,
damit herkömmliches Plastik in nennenswertem Umfang durch Bioplastik
ersetzt und die Verseuchung der Erde zumindest in Ansätzen gestoppt werden
kann. Allein mit der Kohlenstoffquelle tierische Abfallprodukte ist das
nicht zu bewerkstelligen. Deshalb konzentrieren sich unsere Forschungen in
nächster Zeit darauf, industriell einsetzbare Bioverfahren zu entwickeln,
die auch für andere Ausgangsstoffe für die PHA-Produktion funktionieren –
wie zum Beispiel Raps; Zucker; Rohglycerin, ein Nebenprodukt der
Biodieselherstellung; oder kurzkettige Carbonsäuren aus dem anaeroben
Abbau von biogenen Reststoffen (zum Beispiel Zwischenprodukte der
Biogasherstellung) – und wir trotzdem immer ein PHA mit gleichbleibender
Qualität erhalten. Das ist unsere Vision und stellt uns bei der
Prozessgestaltung vor enorme Herausforderungen“, sagt Sebastian L. Riedel.
Projektvorstellung während der Langen Nacht der Wissenschaften
In Malaysia eröffnete sich den TU-Wissenschaftlern übrigens eine bisher
noch unbekannte Möglichkeit, das PHA ganz biologisch aus den
Bakterienzellen zu extrahieren und zwar mit Hilfe von Mehlwürmern. Aber
das ist eine weitere Geschichte, und wie es dazu kam, das können sich
Interessierte während der Langen Nacht der Wissenschaften am 17. Juni 2023
erzählen lassen, wenn das Fachgebiet Bioverfahrenstechnik sein Labor
öffnet, Besucherinnen und Besucher bei der Fütterung der Bakterien dabei
sein können und Saskia Waldburger erklärt, woran sie im Zusammenhang mit
PHA forscht.
Link zum LNDW-Programmpunkt Bioplastik aus Abfallfetten und Bakterien:
<https://www.langenachtderwiss
Link zum gesamten LNDW-Programm der TU Berlin:
<https://www.tu.berlin/communi
