Warum Cellulasen aus Bioabfall?

Die in Bioabfallbehandlungsanlagen angelieferten Bioabfälle können Garten und Parkabfälle, Papierreststoffen, Abfälle aus der Nahrungsmittelverarbeitung, der Landwirtschaft oder der Holzwirtschaft enthalten. Ein Hauptbestandteil in den genannten Bioabfällen ist die Cellulose. Cellulose selber ist ein Polysaccharid, welches aus Glukosebausteinen aufgebaut ist. Im Gegensatz zur Glukose kann die Cellulose aber biologisch nur schwer abgebaut werden. Hierzu sind spezifische Enzyme, die Cellulasen notwendig, um die Cellulose in Glukose umzuwandeln und diese weiteren biotechnologischen Umsetzungen zugänglich zu machen. Zur effektiven biotechnologischen Produktion von Cellulasen sind jedoch einige Mikroorganismen fähig, die in diesem Projekt näher untersucht werden. 

Im Projekt BW2Pro werden aus diesem Grund zwei Zielstellungen verfolgt:

• Die effektive Produktion von Cellulasen unter Verwendung von Teilen des Bioabfalls als Nährmedium

Zur effektiven biotechnologischen Herstellung von Enzymen werden Makronährstoffe wie Kohlenstoff, Stickstoff und Phosphat und Mikronährstoffe benötigt. Diese sind in den Bioabfällen im hohen Maße enthalten. Durch geeignete Vorbehandlungsmaßnahmen des Bioabfalls kann man nun ein Kulturmedium generieren, was eine effiziente Cellulaseproduktion mit einem geeigneten Mikroorganismus ermöglicht. Neben der sinnvollen Verwertung des Abfalls kann zusätzlich eine Reduzierung der Kosten zur Erstellung eines Kulturmediums erfolgen.

• Interne/externe Nutzung der Cellulasen zur Verzuckerung von Cellulose aus dem Bioabfall

Die aus dem Bioabfall produzierten Cellulasen lassen sich sinnvoll innerhalb des Projekts in der Biogasproduktion oder der Biopolymerproduktion einsetzen.

Die zusätzliche Hydrolyse von cellulosehaltigen Abfällen vor der Methanisierung kann zu einer vermehrten spezifischen Biogasproduktion führen. In Vorversuchen konnte gezeigt werden, dass der höhere Anteil von Glukose vor der Methanisierung zu einer verbesserten Biogasbildungskinetik führt. Bei gegebenen Biogasreaktorvolumen könnte damit eine höhere organische Beladungsrate oder geringere Verweilzeit im Reaktor verbunden sein.

Auch die Biopolymerproduktion im Projekt BW2Pro benötigt monomere Zuckerbausteine wie Glukose zur Herstellung von Biokunststoffen. Durch den Einsatz von Cellulasen könnten diese aus dem cellulosehaltigen Teilstrom des Bioabfalls hydrolysiert und in Biopolymere gewandelt werden.

Welche Herausforderungen sind Gegenstand in diesem Arbeitspaket?

Die Darstellung eines biotechnologischen Kulturmediums erfordert Kenntnisse zu den Kohlenstoff/Stickstoff/Phosphat-Ansprüchen in den unterschiedlichen Phasen des Produktionsprozesses der Enzyme. Zudem muss sichergestellt werden, dass wachstums- und produktinhibierende Inhaltsstoffe in unproblematischen Konzentrationen vorhanden sind. Prozesslimitierende Einzelkomponenten müssen identifiziert und supplementiert werden.

Die effektive Verzuckerung von cellulosehaltigen Abfallkomponenten für die Projektpartner erfordert zudem die Kenntnis einer geeigneten Vorbehandlungsstrategie hinsichtlich Dauer und Konzentration der Cellulasen.