Nutzung von mikrobiell hergestellter Poly-y-glutaminsäure (y-PGA) zur Erzeugung biologisch verwertbarer Superabsorber mit dem Ziel einer zirkulären Materialverwertung von Einweghygieneartikeln

Stipendiatin/Stipendiat: Frederik Völker

Als superabsorbierende Polymere (SAP) werden dreidimensionale Polymernetzwerke beschrieben, die Flüssigkeiten bis zu einem Vielfachen Ihres Eigentrockengewichts binden und auch unter physikalischer Belastung nicht freisetzen. Bedingt durch diese besonderen Materialeigenschaften finden SAPs heute Anwendung in zahlreichen Bereichen, z.B. als Arzneimitteltransporter, Baustoffadditiv in der Agrar- und Bauwirtschaft oder aber in Einweghygieneartikeln. Bei Letzterem sind insbesondere Damenhygieneartikel und Einwegwindeln von zentraler Bedeutung zur Einhaltung von Hygienestandards. Durch hohe Geburtenraten, zunehmende Urbanisierung und verbesserte Zugänglichkeit zu Hygieneartikeln steigt die Nachfrage nach eben solchen Wegwerfprodukten besonders in Entwicklungsländern stetig. Ausgelegt auf eine einmalige Nutzung entstehen so weltweit jährlich etwa 30 Mio. Tonnen Feststoffmüll. Die zunehmende Nachfrage nach Einweghygieneprodukten steht jedoch im direkten Konflikt mit der von der EU verfassten Direktive zur Vermeidung von single use plastics und dem von der UN aufgestelltem sustainable development goal 12. Hierbei widerspricht die Nutzung solcher Einwegprodukte sowohl bei der Herstellung der Produktkomponenten aus erdölbasierten Ressourcen als auch bei der Entsorgung der Wegwerfprodukte den Kernaussagen der aufgestellten Vorgaben zum Umwelt- und Klimaschutz.

Bislang stehen nur wenige Technologien zur effizienten Wiederverwertung der Einwegartikel zur Verfügung, weswegen sie meist über konventionelle Entsorgungsmethoden, wie Mülldeponien oder Müllverbrennungsanlagen, vernichtet werden. Durch den in Deutschland und weiteren EU-Ländern durchgesetzten Verzicht auf Mülldeponien verschärft sich die Problemsituation zusätzlich, da so lediglich die Verbrennung der Einwegartikel unter massivem CO2 Ausstoß bleibt (377 kg CO2/Tonne Windelmaterial). Zwar sind bereits erste Ansätze zu einer Wiederverwendung von zellulose- und plastikhaltigen Materialströmen im Labormaßstab erforscht, der Verbleib der eingesetzten SAPs bleibt jedoch unbeleuchtet. Eine mögliche Alternative bilden natürliche SAPs auf Polysaccharid- oder Peptidbasis, die biologisch abbaubar und im großen Maßstab verfügbar sind. Im Rahmen des eingereichten Promotionsprojekts soll deshalb der Aufbau eines SAPs auf Grundlage von Poly-γ-glutaminsäure (γ-PGA) untersucht werden. γ-PGA kann u.a. durch Kultivierung des Mikroorganismus Bacillus subtilis 168 hergestellt werden, einem Stamm, der am betreuenden Institut für angewandte Mikrobiologie bereits zur Produktion der Polyaminosäure optimiert wurde. In Abhängigkeit der eingesetzten Genkassetten lässt sich sowohl das Molekulargewicht als auch die Enantiomerverteilung zwischen D-, und L-Glutamat innerhalb des Polymers variieren. Durch genetische Veränderung mittels Tn7 Transposition wird der Produktionsstamm zur Nutzung alternativer Kohlenstoffquellen, z.B. aus enzymatischem PET Verdau, und durch verhinderten Produktabbau weiter optimiert. Zur Feststellung des Produkttiters bietet sich eine online-Messung der Medienviskosität an, die mit zunehmender Produktkonzentration steigt. Zum Aufbau eines dreidimensionalen Polymernetzwerks muss das lineare γ-PGA Rückrad zusätzlich quervernetzt werden. Anschließend sollen in Kooperation mit ausgewählten Partnern die physikochemischen Eigenschaften des SAPs untersucht werden. So zum Beispiel das Flüssigkeitsrückhaltevermögen oder die Absorption unter Belastung, in Abhängigkeit des genutzten Quervernetzers, γ-PGA Molekulargewichts- und der Enantiomerverteilung. Abschließend wird die enzymatische Abbaubarkeit des SAPs durch Bacillus erörtert und die Nutzung der dabei entstehenden Abbauprodukte für die γ-PGA Neusynthese evaluiert.

Zentrale Aspekte der angestrebten Kreiswirtschaft sind also die mikrobielle Produktion des linearen Polymerrückrads, der Aufbau des Polymernetzwerks durch Quervernetzung, der enzymatische Abbau des SAPs und die Nutzung der Abbauprodukte in der Neusynthese der Produktkomponenten.

Förderzeitraum:
01.09.2021 - 31.08.2024

Institut:
Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule
RWTH Aachen
Lehrstuhl für Angewandte Mikrobiologie

Betreuer:
Prof. Dr. Lars M. Blank

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