BAYBIOTECH

RESSOURCENSCHONENDE BIOTECHNOLOGIE IN BAYERN

TP 5 Biotechnologische Optimierung der biobasierten Polymerherstellung

Arbeitsfeld:

Polyhydroxybuttersäure (PHB) wird von Mikroorganismen wie Ralstonia eutropha oder Arten der Gattung Pseudomonas als mikrobieller Speicherstoff in der Bakterienzelle verwendet.

Die Produktion von PHB wird durch das Vorhandensein der Gene im phaCAB-Operon ermöglicht. Diese Genanordnung kodiert für die Enzyme PHA-Synthase (PhaC), β-Ketothiolase (PhaA) und Acetoacetyl-CoA-Reduktase (PhaB), die die Polymerisation des natürlich vorkommenden Einzelbausteins 3-(R)-Hydroxybutyrat (3-HB) zu sogenanntem isotaktischem (R)-PHB katalysieren.

Isotaktisches PHB weist einen hohen kristallinen Anteil und somit eine hohe Steifigkeit auf. Daher ist isotaktisches PHB für bestimmte Verarbeitungsprozesse nur bedingt geeignet. Dies begrenzt sein Anwendungsspektrum. Durch eine gezielte Änderung der Polymer-zusammensetzung sollte die Dehnbarkeit erhöht und dadurch die Anwendbarkeit des Kunststoffs gesteigert werden.

Im ersten Teil des Projekts wurden anhand von bioinformatischen Analysen Aminosäurepositionen von PHA-Synthasen identifiziert, gezielt verändert und mutierte PHA-Synthasen rekombinant produziert. Diese Enzymvarianten konnten im Anschluss erfolgreich zur Produktion von PHB eingesetzt werden. Die produzierten Polymere wurden mittels gaschromatographischer Untersuchungen sowie anhand von NMR, GPC und IR-Analysen charakterisiert und zeigten erste Hinweise auf eine modifizierte Zusammensetzung. Zusätzlich konnte ein enzymatischer Assay entwickelt werden mit dessen Hilfe eine schnelle Analyse der Polymerzusammensetzung ermöglicht werden sollte. Zur Anwendung dieser Methode im Hochdurchsatzverfahren wird aktuell die Produktion von PHB im 96-well-Maßstab noch weiter optimiert.

Im Rahmen des werkstofftechnischen Teils dieses Projektes wurden zunächst geeignete Parameter für die Extrusion von PHB oder PHB-Blends mittels Schmelzmischen ermittelt. Hierbei zeigte sich, dass eine Extrusion von reinem iso-PHB unterhalb von 180 °C nicht möglich ist. Allerdings ist schon bei diesen Temperaturen von einer teilweisen Zersetzung des Materials während der Verarbeitung auszugehen, da die erhaltenen Prüfkörper alle eine braune Färbung aufwiesen. Weitere Untersuchungen haben gezeigt, dass durch die Zugabe von Weichmacher und einem Nukleierungsmix die Verarbeitungstemperatur gesenkt und somit die Zersetzung des Materials vermieden werden kann .

Die mittels dieser Methode erhaltenen Prüfkörper (mit und ohne Additive) für die Polymer-Blends wurden anschließend auf ihre mechanischen Eigenschaften untersucht. Hierbei konnte gezeigt werden, dass durch die Zugabe anderer (Bio-) Polymere die Eigenschaften von iso-PHB gezielt verändert werden können. Beispielsweise durch die Zumischung von PLA zu reinem iso-PHB (ohne Additive) kann eine Erhöhung der relativen Zugfestigkeit des Materials erreicht werden.

Projektpartner: