EP4680719A1 - Verfahren zur herstellung einer folie, einer beschichtung oder eines formkörpers aus hefe-biomasse - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer folie, einer beschichtung oder eines formkörpers aus hefe-biomasse

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EP4680719A1
EP4680719A1 EP24712786.3A EP24712786A EP4680719A1 EP 4680719 A1 EP4680719 A1 EP 4680719A1 EP 24712786 A EP24712786 A EP 24712786A EP 4680719 A1 EP4680719 A1 EP 4680719A1
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EP
European Patent Office
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biomass
yeast
film
coating
process according
Prior art date
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Pending
Application number
EP24712786.3A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Vanessa Wegat
Michael Kohl
Arne Roth
Jonathan Fabarius
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP4680719A1 publication Critical patent/EP4680719A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N1/00—Microorganisms; Compositions thereof; Processes of propagating, maintaining or preserving microorganisms or compositions thereof; Processes of preparing or isolating a composition containing a microorganism; Culture media therefor
    • C12N1/14—Fungi; Culture media therefor
    • C12N1/16—Yeasts; Culture media therefor
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02W90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to greenhouse gas [GHG] emissions mitigation
    • Y02W90/10—Bio-packaging, e.g. packing containers made from renewable resources or bio-plastics

Definitions

  • the present invention relates to a process for producing a film, a coating or a shaped body from a biodegradable material, in particular for packaging, in which biomass of a yeast is provided and homogenized by mechanical treatment and the biomass thus broken down is processed into a film, a coating or a shaped body directly or after addition of one or more further substances.
  • microbial biomass e.g. yeasts or fungi
  • Current research and development projects aim, among other things, at the use of the biomass of the baker's yeast Saccharomyces cerevisiae in combination with glycerin as a plasticizer.
  • a corresponding process is described, for example, in JF Delgado et al., Characterization of thermal, mechanical and hydration properties of novel films based on Saccharomyces cerevisiae biomass, Innovative Food Science & Emerging Technologies, 2018, 48, pages 240-247.
  • Biopolymers from agriculturally produced biomass or the conventionally used microbial sources typically interact strongly with water. Therefore, the correspondingly manufactured Films have weaker water vapor barriers than synthetic polymers, which leads to faster drying out of the packaged goods.
  • the object of the present invention is to provide a method for producing a film, a coating or a molded body that is 100% bio-based and biodegradable.
  • the product produced should be able to be made from renewable and natural raw materials and be suitable for a wide range of applications in the food and packaging industry, and therefore also have sufficient barrier properties for food packaging.
  • the proposed method is based on the use of yeast biomass to produce the film, coating or molded body, hereinafter also referred to as product or manufactured product.
  • Biomass is understood to mean the complete moist cell mass of yeast cells, which typically arises in a fermentation process in which this yeast is used.
  • Yeast biomass is a cost-effective and readily available source of biopolymers with promising properties for the development of biodegradable materials.
  • yeast biomass is first provided and homogenized, with at least one mechanical treatment being carried out for homogenization.
  • the appropriately homogenized biomass is then processed, if necessary after further intermediate steps such as heat treatment and renewed homogenization, directly or after the addition of one or more other substances, into a film, a coating or a shaped body.
  • Oil-forming yeasts are understood to mean yeasts which can accumulate more than 20% of their dry cell weight as lipids or triacylglycerides.
  • Examples of oil-forming yeasts which can be used in the proposed process are Schwann! omyces occidentalis, Rhodotorula torul oides or Yarrowia lipolyti ca (Y. lipolyti ca).
  • At least one strain of oleaginous yeast is cultivated.
  • this cultivation is preferably carried out on crude glycerin as a substrate.
  • the glycerin that is a residue from the production of biodiesel from fats and oils and which may contain impurities can be used as a substrate.
  • the oil yeast used in the proposed process instead of crude glycerine, other substrates that are comparable in terms of economic efficiency and resource conservation, such as (used) cooking oils and fats, can be used. This can significantly improve the economic efficiency of the production process, as purification costs for the substrate can be saved.
  • the proposed process can be used to produce films, coatings and molded articles that are 100% bio-based and biodegradable. These products have a wide range of applications in the food and packaging industry, are completely compostable and are made only from renewable natural raw materials. It can also be used to produce packaging products that have sufficient barrier properties, especially against oxygen and water, as is desired in the food packaging industry.
  • Another advantage of using oil yeasts is in that, in contrast to comparable starting materials of this type, improved mechanical properties of the films are achieved. These improved mechanical properties are due to the high lipid and polysaccharide content of the oleaginous yeast.
  • proteins from the yeast cytoplasm and the polymers of the cell wall are particularly relevant for the formation of the film.
  • oleaginous yeast has a generally higher polysaccharide content and also a significantly higher chitin content.
  • the proposed process particularly benefits from the use of the oleaginous yeast Yarrowia lipolytica (Y. lipolytica).
  • This yeast is able to synthesize a large group of valuable metabolites.
  • Important products are lipases and other hydrolytic enzymes, lipids, citric acid, erythritol and ⁇ -decalactone.
  • Many commercial processes based on the fermentation of the yeast Y. lipolytica also have GRAS status ("generally recognized as safe"), which is awarded by the Food and Drug Administration.
  • the yeast biomass of Y. lipolytica has been approved as a novel food, so that films or similar made from it can be expected to be approved for use as packaging material for food without any problems.
  • These packaging films are versatile membranes that may only require the use of additives to adjust the integrity and the mechanical properties required for the respective application.
  • Preventing packaged goods from drying out is a particularly important goal here, and suitable packaging materials are needed for this.
  • Biopolymers from agriculturally produced raw materials or the microbial biopolymers currently used typically interact strongly with water, and the films made from them form weaker water vapor barriers than in the case of synthetic polymers.
  • a weak water vapor barrier in packaging usually leads to the packaged goods drying out more quickly.
  • lipolytica have a significantly higher lipid content in their cytoplasm (between 20 and 30% of the dry mass, depending on the strain and growth conditions) than other microorganisms.
  • lipids alone are unsuitable for forming matrices with acceptable mechanical properties, they are already successfully used to reduce the strong interaction of films and coatings with water and to improve the water barrier properties of the films. Due to the advantageous composition of biomass from an oleaginous yeast, in particular Y. lipolytica, with its high The content of lipids and biopolymers is the prerequisite for reduced water solubility and thus for reduced water permeability.
  • the proposed method it is particularly advantageous not to use a high-pressure homogenizer for homogenization or cell disruption, but rather a mechanical treatment using ultrasound in conjunction with enzyme treatment of the biomass before and/or during the ultrasound treatment. It was found that the combination of enzyme treatment and ultrasound treatment produces significantly better homogenization results than high-pressure homogenization. It is also advantageous to subject the biomass to thermal treatment, for example in a water bath, after this first homogenization step in order to denature proteins in the biomass. This is preferably followed by a further homogenization step, preferably also using ultrasound treatment.
  • a further advantageous embodiment of the proposed method consists in subjecting the biomass to lyophilization after cultivation and optionally one or more washing steps. Freeze-drying allows the biomass to be stored for a longer period before further processing according to the proposed method.
  • the oleaginous yeast biomass processed according to the proposed method is finally further processed to form the desired product, i.e. the film, coating or molded body.
  • one or more further substances can be added to the biomass, which in the process is present in a correspondingly liquid form, in particular as a dispersion in a solvent such as water.
  • This or one of these further substances can be a suitable plasticizer, for example glycerin, in order to influence the mechanical properties of the manufactured product.
  • the oleaginous yeast biomass in particular Y. lipolytica, still forms the main component of the manufactured product, for example the film or coating, i.e. a proportion (in percent by weight) of over 50%, usually well over 50%, in particular 70-80% or more.
  • the corresponding product can be completed in a known manner, for example by simply pouring and drying when producing a film, for example by spraying and drying when producing a coating, or by injection molding when producing a molded body.
  • Fig. la/b the growth of two different strains (DSM3286 and P01 F) when cultivated on different glycerol batches;
  • Fig. 2 Measurements on films produced with the process with different additions of glycerin
  • Fig. 3 is a diagram of an exemplary
  • This oleaginous yeast can use crude glycerol as the sole carbon source for the formation of biomass, producing a high proportion of lipids and polysaccharides.
  • substrates made from crude glycerol of different qualities and pure glycerol as a reference were used for cultivation in combination with two different Y. lipolytica strains (DSM3286 and PO1 F).
  • the crude glycerol came from different biodiesel manufacturers.
  • Glycerol 1 had a purity of > 99%, glycerol 2 a purity of around 90%, glycerol 3 a purity of around 82%, glycerol 4 a purity of around 70% and glycerol 5 a purity of only around 50%.
  • the two Y. lipolyti ca strains were cultivated in a mineral salt medium with the above-mentioned glycerol batches (using 20 g/L starting concentration each) as substrates.
  • the Y. lipolyti ca strain PO1 F is a genetically modified version of the wild-type Strain W29, which is frequently used in the laboratory or in industrial processes.
  • genes for leucine and uracil synthesis were deleted in order to establish auxotrophies as selection markers for genetic engineering processes.
  • Strain DSM3286 is a wild-type strain which comes from the culture collection of the DSMZ.
  • the crude glycerols were not specially prepared for cultivation, but simply sterilely autoclaved and then used directly. Cultivation was carried out at a temperature of 30 °C at 200 rpm for 48 hours. The biomass was then harvested by centrifugation (8,000 g, 10 min, 4 °C).
  • strain PO1 F achieving lower biomass yields than strain DSM3286.
  • the maximum biomass concentration could be reached under the conditions tested here in a time window between 24 hours and 36 hours.
  • Biomass formation over time with the two strains in the mineral salt medium and the respective glycerol batches was recorded over 48 hours in a parallel microbioreactor.
  • Figure 1 shows the measured biomass concentrations as a function of time for the substrates glycerol 1 to glycerol 4 and the two strains used DSM3286 (Fig. 1a) and PO1 F (Fig. 1b).
  • glycerol 5 results in severe foam formation, which means that a reliable measurement of the optical density to determine the biomass concentration was not possible.
  • Both strains were able to use Glycerin 5 as a growth source despite its low purity.
  • the strain DSM3286 shows a significantly higher biomass yield than the strain PO1 F and is therefore more suitable for industrial use.
  • DSM3286 is not a genetically modified organism (GMO) and naturally achieves a high lipid yield. The following experiments were therefore carried out with biomass obtained from this strain, using glycerol 2 and glycerol 3 as the crude glycerol source for cultivation.
  • the homogeneity of the film can be improved if the following biomass digestion process is used instead of high-pressure homogenization.
  • the biomass was homogenized in an ultrasonic sonotrode for 5 minutes each, after being treated with Zymolase for one hour at 37 °C.
  • Zymolase contains a group of enzymes which, among other things, hydrolyze the ß-1,3-glucan bonds contained in the cell wall and thus ensure improved degradation and thus digestion of the yeast cell wall. This procedure made it possible to produce more uniform films that no longer contained intact yeast cells than with the high-pressure homogenization that was generally used up to now.
  • the films were then examined to determine the film properties, for example by means of differential calorimetry and determining the E-modulus.
  • the elastic modulus (E-modulus) is a parameter for how much a material gives way when force is applied (resistance to deformation).
  • a component made from a material with a high elastic modulus such as steel
  • a low elastic modulus such as rubber
  • tests were carried out with different glycerin contents of the films. Of the glycerin contents tested (0%, 5%, 10% and 20%), the best E-modulus was achieved with 10% glycerin, as can be seen from Figure 2.
  • Differential calorimetry analyses showed a melting point of around 90°C.
  • pressed pieces were also produced from layered foils. This shows that the foils can be processed into a firmly bonded workpiece and are therefore suitable for the pressing process.
  • several layers of foil were cut and layered according to the pressing mold. The pressed pieces were molded at a temperature of 120 ° C and a time of 80 seconds with final cooling .
  • the products manufactured using the proposed process are also easy to compost. This has been proven in tests. Depending on the conditions and the thickness of the material, complete composting takes about 4 to 8 weeks.
  • the key to the product's excellent compostability lies in its natural ingredients.
  • the films manufactured using the process are based on natural biopolymers (i.e. yeast biomass and glycerin).
  • yeast biomass and glycerin natural biopolymers
  • the microorganisms in nature already have the enzymes they need to break down these compounds and use them as substrates for their natural metabolism. This means that biomass is once again built up in the environment and the carbon cycle is closed.
  • the barrier properties of the films produced using the process are also sufficient for applications in the food sector.
  • measurements on films produced using the present process with 10% glycerine showed a standardized oxygen permeability at 23 °C/50% RH in the range of 36 to 41 cm3 100 pm/( m2d bar) and an average standardized water vapor permeability at 23 °C/85% RH of 1409 ⁇ 227 g 100 pm/( m2d ).
  • Natural polymers such as proteins and polysaccharides tend to have a low barrier due to their high number of hydrogen bonds to water vapor, but show a high barrier effect against oxygen. With lipids it is usually the other way around: the hydrophobicity results in a good barrier against water vapor, but shows a high permeability to oxygen.
  • the polysaccharide and lipid contents can be additionally controlled during fermentation, e.g. by media composition, fermentation conditions (duration, temperature, shaking rate, etc.) or by genetic modifications to the yeast.
  • the properties of the products produced using the process can be further influenced by modifying the yeast biomass, for example to improve packaging-relevant functionalities.
  • the production rate and yield of yeast biomass depend heavily on the concentration of the carbon and nitrogen sources as well as on the aeration of the cultivation medium and the cultivation temperature. Above all, the composition of the medium significantly influences the composition of the biomass and in particular its lipid content. Thus, the properties of the products produced can be further optimized by influencing these parameters, in particular by the composition of the medium and the fermentation conditions.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Folie, einer Beschichtung oder eines Formkörpers aus Biomasse einer Hefe, bei dem die Biomasse zunächst aufgeschlossen und homogenisiert und anschließend zur Folie, Beschichtung oder dem Formkörper weiterverarbeitet wird. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass als Hefe eine ölbildende Hefe, insbesondere Y. lipolytica, eingesetzt wird und die Homogenisierung eine zellwandlösende Enzymbehandlung umfasst. Mit dem Verfahren lassen sich biobasierte und vollständig bioabbaubare Verpackungsprodukte herstellen, die nur auf nachwachsenden und natürlichen Rohstoffen basieren und gute mechanische Eigenschaften aufweisen.

Description

Verfahren zur Herstellung einer Folie , einer
Beschichtung oder eines Formkörpers aus Hefe-Biomasse
Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betri f ft ein Verfahren zur Herstellung einer Folie , einer Beschichtung oder eines Formkörpers aus einem bioabbaubaren Material , insbesondere für Verpackungen, bei dem Biomasse einer Hefe bereitgestellt und durch mechanische Behandlung homogenisiert wird und die dadurch aufgeschlossene Biomasse direkt oder nach Zugabe eines oder mehrerer weiterer Stof fe zu einer Folie , einer Beschichtung oder einem Formkörper verarbeitet wird .
Zur Herstellung von Produktverpackungen besteht ein zunehmender Bedarf an biologisch abbaubaren Polymeren . Eine nachhaltige Lösung bietet die Verwendung von erneuerbaren Ressourcen, wie z . B . die Biomasse von Pflanzen als Ausgangsmaterial für die Polymerproduktion . Insbesondere bieten biobasierte Polymere das Potential , die Nutzung von fossilen Ressourcen deutlich zu reduzieren . Sie zeichnen sich dadurch aus , dass sie CCh-neutral sind, also über den gesamten Lebens zyklus der Atmosphäre kein oder zumindest kaum CO2 hinzufügen . Die derzeit auf dem Markt etablierten biobasierten Kunststof fe nutzen nachwachsende Ressourcen aus der Agrarwirtschaft . Hierzu werden j edoch häufig fruchtbare Anbauflächen benötigt . Demgegenüber bietet die Verwendung mikrobieller Biomasse den Vorteil , dass es sich um eine vollständig erneuerbare Quelle für Polymere handelt , für die Bereitstellung der Biomasse nicht direkt fruchtbare Anbauflächen benötigt werden und kein unmittelbares Risiko für eine erhöhte Abholzung von Waldflächen zur Biomasseerzeugung besteht.
Stand der Technik
Derzeit werden vor allem nachwachsende Ressourcen wie Mais, Weizen, Kartoffeln, Zuckerrohr, Zuckerrüben, Bambus oder Holz als Ausgangsmaterial für die Herstellung der Polymere genutzt. Im Vergleich zu herkömmlichen, f ossil-basierten Kunststoffen unterstützen diese Biokunststoffe die Reduktion der Treibhausgas-Emissionen und können den Verbrauch fossiler Rohstoffe senken. In einigen anderen Wirkungskategorien (z.B. Land- und Wasserverbrauch, Eutrophierung von Gewässern) ergeben sich hier jedoch meist schlechtere Bilanzen als bei der fossilen Referenz .
Eine weitere bekannte Möglichkeit ist die Nutzung von mikrobieller Biomasse (z.B. Hefen oder Pilze) für die Herstellung von Folien und Beschichtungen in der Materialindustrie. Aktuelle Forschungs- und Entwicklungs-Pro ekte zielen unter anderem auf den Einsatz der Biomasse der Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae in Kombination mit Glycerin als Weichmacher ab. Ein entsprechendes Verfahren ist beispielsweise in J.F. Delgado et al., Characterization of thermal, mechanical and hydration properties of novel films based on Saccharomyces cerevisiae biomass, Innovative Food Science & Emerging Technologies, 2018, 48, Seiten 240-247 beschrieben. Glycerin verbessert die Integrität, Flexibilität und mechanischen Eigenschaften der hergestellten Folien, indem es auf molekularer Ebene als Abstandhalter und mechanischer Mediator zwischen den Biopolymerketten fungiert . Ein entscheidender Nachteil von S . cerevi siae ist j edoch, dass der Wildtyp meist auf Glucose kultiviert wird und somit von einem nahrungsmittelrelevanten Rohstof f abhängt .
Zur Nutzung der Hefebestandteile muss zunächst die Zellwand aufgebrochen werden, um das Zytoplasma frei zusetzen . Delagdo et al . nutzen für die Produktion von Folien aus der Biomasse von S . cerevi sae die Technik der Hochdruckhomogenisierung bei einem Druck von mehr als 100 MPa . Die freigelegten Biopolymere können dann miteinander interagieren und ein stabiles Netzwerk ausbilden . Als nächster Schritt erfolgt eine thermische Behandlung im Wasserbad bei 90 ° C, um die Proteine zu denaturieren und so ihre Wechselwirkungen untereinander zu erhöhen . Eine zweite Homogenisierung wird angewendet , um mögliche Aggregate (Verklumpungen) zu beseitigen, die sich während der Wärmebehandlung gebildet haben . Zuletzt wird die Hefe-Dispersion mit Glycerin versetzt , aus dem Gemisch ein Film gegossen und schließlich das Wasser durch Trocknung bei 50 ° C entfernt , was die Wechselwirkung zwischen den Polymerketten und die Bildung der Filmmatrix weiter begünstigt .
Biopolymere aus landwirtschaftlich produzierter Biomasse oder auch die herkömmlich verwendeten mikrobiellen Quellen ( also z . B . Bäckerhefe S . cerevi sae) interagieren typischerweise stark mit Wasser . Daher bilden die entsprechend gefertigten Folien schwächere Wasserdampfbarrieren als im Fall von synthetischen Polymeren, was zu einer schnelleren Austrocknung des Verpackungsguts führt .
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung einer Folie , einer Beschichtung oder eines Formkörpers anzugeben, die bzw . der zu 100% biobasiert und biologisch abbaubar ist . Das hergestellte Produkt sollte aus nachwachsenden und natürlichen Rohstof fen hergestellt werden können und sich für viel fältige Einsatzbereiche in der Lebensmittel- und Verpackungsindustrie eignen, also auch ausreichende Barriereeigenschaften für Lebensmittelverpackungen aufweisen .
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst . Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Aus führungsbeispiel entnehmen .
Das vorgeschlagene Verfahren basiert auf der Nutzung der Biomasse einer Hefe zur Herstellung der Folie , der Beschichtung oder des Formkörpers , im Folgenden auch als Produkt oder Herstellungsprodukt bezeichnet . Unter der Biomasse ist dabei die komplette feuchte Zellmasse der Hefezellen zu verstehen, die typischerweise in einem Fermentationsprozess , in dem diese Hefe eingesetzt wird, anfällt . Hefebiomasse ist eine kostengünstige und gut verfügbare Quelle für Biopolymere mit vielversprechenden Eigenschaften für die Entwicklung biologisch abbaubarer Materialien . Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird zunächst Biomasse einer Hefe bereitgestellt und homogenisiert , wobei zur Homogenisierung wenigstens eine mechanische Behandlung durchgeführt wird . Die entsprechend homogenisierte Biomasse wird dann, gegebenenfalls nach weiteren Zwischenschritten wie beispielsweise einer Wärmebehandlung und erneuten Homogenisierung, direkt oder nach Zugabe eines oder mehrerer weiterer Stof fe zu einer Folie , einer Beschichtung oder einem Formkörper verarbeitet . Das vorgeschlagene Verfahren zeichnet sich dadurch aus , dass als Hefe eine ölbildende Hefe , im Folgenden auch als Ölhefe bezeichnet , eingesetzt wird und die Homogenisierung eine zellwandlösende Enzymbehandlung umfasst . Bei dieser Enzymbehandlung handelt es sich vorzugsweise um eine Zymolase- Behandlung . Auch der Einsatz anderer geeigneter Enzyme wie Lysozym oder Papain ist möglich .
Unter ölbildenden Hefen werden dabei in bekannter Weise Hefen verstanden, welche mehr als 20 % ihres Zelltrockengewichts als Lipide oder Triacylglyceride anreichern können . Beispiele für ölbildende Hefen, die beim vorgeschlagenen Verfahren eingesetzt werden können, sind Schwann! omyc es occidentali s, Rhodotorula torul oides oder Yarrowia lipolyti ca ( Y. lipolyti ca ) .
Für die Bereitstellung der feuchten Biomasse der Ölhefe wird wenigstens ein Stamm der Ölhefe kultiviert . Diese Kultivierung erfolgt beim vorgeschlagenen Verfahren vorzugsweise auf Rohglycerin als Substrat . So kann beispielsweise das bei der Biodiesel-Produktion aus Fetten und Ölen als Reststof f anfallende Glycerin, welches Verunreinigungen aufweisen kann, als Substrat für die Kultivierung der beim vorgeschlagenen Verfahren eingesetzten Ölhefe genutzt werden . Anstelle von Rohglycerin können auch andere , hinsichtlich der ökonomischen Ef fi zienz und Ressourcenschonung vergleichbare Substrate wie (Alt ) Speiseöle- und fette eingesetzt werden . Dadurch kann die ökonomische Ef fi zienz des Produktionsprozesses deutlich verbessert werden, da Auf reinigungskosten für das Substrat eingespart werden können . Durch die Nutzung von Nebenströmen wie Rohglycerin, werden diese nicht nur in den Stof f kreislauf rückgeführt , sondern auch noch wertveredelt (Upcycling) . Der Einsatz von nahrungsmittelrelevanten Substraten wie Zuckern ist nicht erforderlich . Die Herstellung des Produkts ist Ressourcen-schonend, die Bereitstellung der Hefebiomasse als Rohstof f verursacht keine vermehrte Nutzung fruchtbarer und ökologisch wertvoller Flächen und hat somit keinen negativen Einfluss auf die Biodiversität und ist nicht assoziiert mit einem erhöhten Wasserverbrauch .
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren lassen sich somit Folien, Beschichtungen und Formkörper herstellen, die zu 100% biobasiert und biologisch abbaubar sind . Diese Produkte weisen viel fältige Einsatzbereiche in der Lebensmittel- und Verpackungsindustrie auf , sind vollständig kompostierbar und nur aus nachwachsenden natürlichen Rohstof fen hergestellt . Es können damit auch Verpackungsprodukte hergestellt werden, die ausreichende Barriereeigenschaften aufweisen, insbesondere gegenüber Sauerstof f und Wasser, wie sie in der Lebensmittelverpackungsindustrie gewünscht sind . Ein weiterer Vorteil der Nutzung von Ölhefen besteht darin, dass damit im Gegensatz zu vergleichbaren Ausgangsstof fen dieser Art verbesserte mechanische Eigenschaften der Folien erzielt werden . Diese verbesserten mechanischen Eigenschaften sind auf den hohen Lipid- und Polysaccharidgehalt der Ölhefe zurückzuführen . Außerdem sind vor allem die Proteine aus dem Zytoplasma der Hefe und die Polymere der Zellwand ( Polysaccharide wie Mannan, Glucan und Chitin) für die Folienbildung relevant . Verglichen mit der eingangs genannten Hefe S . cerevi siae weist eine Ölhefe einen generell höheren Polysaccharidgehalt und auch einen signi fikant höheren Chitin-Gehalt auf .
Besonders vorteilhaft wird beim vorgeschlagenen Verfahren die Ölhefe Yarrowia lipolyti ca ( Y. lipolyti ca ) eingesetzt . Diese Hefe ist in der Lage , eine große Gruppe wertvoller Metaboliten zu synthetisieren . Wichtige Produkte sind insbesondere Lipasen und andere hydrolytische Enzyme , Lipide , Zitronensäure , Erythrit und y-Decalacton . Viele kommerzielle Prozesse , die auf der Fermentation der Hefe Y. lipolyti ca basieren, haben außerdem den GRAS- Status ( " generally recogni zed as safe" ) , welcher von der Food and Drug Administration vergeben wird . Des Weiteren wurde die Hefebiomasse von Y. lipolyti ca als neuartiges Lebensmittel zugelassen, sodass auch für daraus hergestellte Folien o . ä . eine unproblematische Zulassung für die Nutzung als Verpackungsmaterial für Lebensmittel zu erwarten ist . Bei diesen Verpackungsfolien handelt es sich um vielseitig anwendbare Membranen, die eventuell lediglich den Einsatz von Additiven zur Anpassung der Integrität und der mechanischen Eigenschaften an den j eweiligen Anwendungs zweck erfordern .
Eine weitere wichtige Anforderung an Verpackungsmaterialien, neben Funktionalität und Recyclingfähigkeit , ist der Schutz des zu verpackenden Produkts . Vor allem in der Lebensmittelindustrie ist die Reduktion des Wasseraustausches zwischen dem zu schützenden Lebensmittel und seiner Umgebung unabdingbar . Hier ist insbesondere das Verhindern des Austrocknens von Verpackungsgütern ein wichtiges Ziel , wofür geeignete Verpackungsmaterialien benötigt werden . Biopolymere aus landwirtschaftlich produzierten Rohstof fen oder auch die derzeit verwendeten mikrobiellen Biopolymere interagieren typischerweise stark mit Wasser, und die aus ihnen gefertigten Folien bilden schwächere Wasserdampfbarrieren als im Fall von synthetischen Polymeren . Eine schwache Wasserdampfbarriere einer Verpackung führt in der Regel zu einer schnelleren Austrocknung des Verpackungsguts . Ölbildende Hefen wie Y. lipolyti ca weisen einen deutlich höheren Lipidgehalt des Zytoplasmas ( j e nach Stamm und Wachstumsbedingungen zwischen 20-30 % der Trockenmasse ) als andere Mikroorganismen auf . Lipide alleine sind zwar ungeeignet , um Matrices mit akzeptablen mechanischen Eigenschaften zu bilden, werden aber bereits erfolgreich eingesetzt , um die starke Wechselwirkung von Folien und Beschichtungen mit Wasser zu reduzieren und die Wasserbarriereeigenschaften der Folien zu verbessern . Durch die vorteilhafte Zusammensetzung von Biomasse aus einer Ölhefe , insbesondere Y. lipolyti ca, mit ihrem hohen Gehalt an Lipiden und Biopolymeren ist die Voraussetzung für eine reduzierte Wasserlöslichkeit und somit für eine verminderte Wasserdurchlässigkeit gegeben .
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird für die Homogenisierung bzw . den Zellaufschluss besonders vorteilhaft nicht ein Hochdruck-Homogenisator, sondern eine mechanische Behandlung mittels Ultraschall in Verbindung mit einer Enzymbehandlung der Biomasse vor und/oder während der Ultraschallbehandlung eingesetzt . Hierbei wurde festgestellt , dass sich durch die Kombination aus Enzymbehandlung und Ultraschallbehandlung deutlich bessere Homogenisierungsergebnisse erzielen lassen als bei Durchführung einer Hochdruck- Homogenisierung . Weiterhin ist es von Vorteil , die Biomasse nach diesem ersten Homogenisierungsschritt einer thermischen Behandlung, beispielsweise in einem Wasserbad, zu unterziehen, um Proteine in der Biomasse zu denaturieren . Darauf folgend wird vorzugsweise ein weiterer Homogenisierungsschritt , vorzugsweise ebenfalls mittels Ultraschallbehandlung durchgeführt .
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens , auch in Verbindung mit den vorangehend bereits erläuterten Ausgestaltungen, besteht darin, die Biomasse nach der Kultivierung und gegebenenfalls einem oder mehreren Waschschritten einer Lyophilisation zu unterziehen . Durch die Gefriertrocknung lässt sich die Biomasse vor der weiteren Verarbeitung gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren länger lagern . Die gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren verarbeitete Biomasse der Ölhefe wird schließlich zum gewünschten Produkt , also der Folie , Beschichtung oder dem Formkörper weiterverarbeitet . Hierzu können der Biomasse , die bei dem Verfahren in einer entsprechend flüssigen Form, insbesondere als Dispersion in einem Lösungsmittel wie Wasser, vorliegt , ein oder mehrere weitere Stof fe zugegeben werden . Bei diesem oder einem dieser weiteren Stof fe kann es sich um einen geeigneten Weichmacher handeln, beispielsweise Glycerin, um die mechanischen Eigenschaften des hergestellten Produkts zu beeinflussen . Auch eine Zugabe anderer Stof fe , beispielsweise für die j eweilige Anwendung geeigneter Füllstof fe , ist möglich . Die Biomasse der Ölhefe , insbesondere von Y. Lipolyti ca, bildet an dem erzeugten Produkt , also beispielsweise der Folie oder der Beschichtung, dabei immer noch den Hauptbestandteil , also einen Anteil ( in Gewichtsprozent ) von über 50% , in der Regel weit über 50% , insbesondere 70- 80% oder darüber . Die Fertigstellung des entsprechenden Produkts kann dabei in bekannter Weise erfolgen, bei Herstellung einer Folie beispielsweise durch einfaches Vergießen und Trocknen, bei Herstellung einer Beschichtung beispielsweise durch Aufsprühen und Trocknen, bei Herstellung eines Formkörpers beispielsweise auch durch Spritzguss .
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Das vorgeschlagene Verfahren wird nachfolgend anhand eines Aus führungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert . Hierbei zeigen : Fig . la/b das Wachstum zweier unterschiedlicher Stämme ( DSM3286 und P01 F) bei der Kultivierung auf unterschiedlichen Glycerin- Char gen;
Fig . 2 Messungen an mit dem Verfahren hergestellten Folien bei unterschiedlichen Zugaben an Glycerin; und
Fig . 3 ein Schaubild einer beispielhaften
Prozessabfolge bei der Herstellung einer Folie gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren .
Wege zur Ausführung der Erfindung
Das vorgeschlagene Verfahren wird im Folgenden anhand der bevorzugt eingesetzten Ölhefe Y. lipolyti ca nochmals erläutert . Diese Ölhefe kann Rohglycerin als einzige Kohlenstof f quelle für die Bildung von Biomasse nutzen, wobei ein hoher Anteil an Lipiden und Polysacchariden entsteht . Für die Kultivierung wurden in diesem Beispiel Substrate aus Rohglycerin unterschiedlicher Qualität und ein Reinglycerin als Referenz in Verbindung mit zwei verschiedenen Y. lipolyti ca Stämmen ( DSM3286 und PO1 F) eingesetzt . Das Rohglycerin stammte dabei von unterschiedlichen Biodiesel-Herstellern . Glycerin 1 wies eine Reinheit von > 99% , Glycerin 2 eine Reinheit von etwa 90% , Glycerin 3 eine Reinheit von etwa 82 % , Glycerin 4 eine Reinheit von etwa 70% und Glycerin 5 nur eine Reinheit von etwa 50% auf .
Zunächst wurden die beiden Y. lipolyti ca Stämme in einem Mineralsal zmedium mit den genannten Glycerin- Chargen (Einsatz von j eweils 20 g/L Startkonzentration) als Substraten kultiviert . Der Y. lipolyti ca Stamm PO1 F ist eine gentechnisch veränderte Version des Wildtyp- Stamms W29 , welcher häufig im Labor oder in industriellen Verfahren verwendet wird . Hier wurden Gene der Leucin- und Uracil-Synthese deletiert , um so Auxotrophien als Selektionsmarker für gentechnische Verfahren zu etablieren . Bei dem Stamm DSM3286 handelt es sich um einen Wildtyp-Stamm, welcher aus der Kultursammlung der DSMZ stammt . Die Rohglycerine wurden für die Kultivierung nicht extra aufbereitet , sondern nur steril autoklaviert und dann direkt verwendet . Die Kultivierung erfolgte bei einer Temperatur von 30 ° C bei 200 rpm für 48 Stunden . Anschließend wurde die Biomasse mittels Zentri fugation ( 8 , 000g, 10 min, 4 ° C ) geerntet .
Es zeigte sich, dass beide getesteten Stämme alle verwendeten Glycerinquellen nutzen können, wobei der Stamm PO1 F geringere Biomasse-Ausbeuten erreicht als der Stamm DSM3286 . Je nach Stamm und Glycerin-Charge konnte unter den hier getesteten Bedingungen in einem Zeitfenster zwischen 24 Stunden und 36 Stunden die maximale Biomassekonzentration erreicht werden . Die Biomassebildung über die Zeit mit den beiden Stämmen im Mineralsal zmedium und den j eweiligen Glycerin-Chargen wurde über 48 Stunden in einem parallelisierten Mikrobioreaktor aufgenommen . Figur 1 zeigt hierzu die gemessenen Biomasse-Konzentrationen in Abhängigkeit von der Zeit für die Substrate Glycerin 1 bis Glycerin 4 und die beiden genutzten Stämme DSM3286 ( Fig . la ) und PO1 F ( Fig . 1b ) . Der Einsatz von Glycerin 5 resultiert in starker Schaumbildung, wodurch eine verlässliche Messung der optischen Dichte zur Bestimmung der Biomassekonzentration nicht möglich war . Beide Stämme konnten Glycerin 5 aber trotz des niedrigen Reinheitsgrades als Wachstumsquelle nutzen . Wie aus Figur 1 ersichtlich ist , zeigt der Stamm DSM3286 eine deutlich höhere Biomasseausbeute als der Stamm PO1 F und eignet sich daher besser für eine industrielle Verwendung . Zudem ist DSM3286 kein genetisch veränderter Organismus ( GVO) und erzielt von Natur aus eine hohe Lipidausbeute . Die folgenden Versuche wurden daher mit aus diesem Stamm gewonnener Biomasse durchgeführt , wobei als Rohglycerinquelle für die Kultivierung Glycerin 2 und Glycerin 3 eingesetzt wurden .
Bei der Durchführung von Versuchen zur Herstellung von Folien aus dieser Biomasse wurde festgestellt , dass sich die Homogenität der Folie verbessern lässt , wenn nicht eine Hochdruck-Homogenisierung, sondern das folgende Aufschlussverfahren für die Biomasse eingesetzt wird . Hierzu wurde die Biomasse anstelle der Hochdruck-Homogenisierung für j eweils 5 Minuten in einer Ultraschall-Sonotrode homogenisiert , wobei vorher eine Zymolase-Behandlung für eine Stunde bei 37 ° C erfolgte . Zymolase enthält eine Gruppe von Enzymen, welche unter anderem die in der Zellwand enthaltenen ß- 1 , 3-Glucan-Bindungen hydrolysieren und so einen verbesserten Abbau und somit Aufschluss der Hefezellwand gewährleisten . Durch diese Vorgehensweise konnten gleichmäßigere Folien erzeugt werden, die keine intakten Hefezellen mehr beinhalteten, als bei der bisher in der Regel eingesetzten Hochdruck- Homogenisierung . Die Nutzung von Ultraschall zur Homogenisierung ist zur Lösung der vorliegende Aufgabe nicht zwingend erforderlich . Hierzu können auch andere mechanische Homogenisierungsverfahren eingesetzt werden. Die Nutzung von Ultraschall bietet allerdings in Verbindung mit der Zymolase-Behandlung den obigen zusätzlichen Vorteil der Erzeugung gleichmäßigerer Folien. Der gesamte Prozess von der Kultivierung bis zur Herstellung von Folien oder eines Formkörpers ist beispielhaft in dem Schaubild der Figur 3 dargestellt.
Die Folien wurden anschließend untersucht, um die Folieneigenschaften durch z.B. dynamische Differenzkalometrie und Bestimmung des E-Moduls zu ermitteln. Das Elastizitätsmodul (E-Modul) ist eine Kenngröße dafür, wie stark ein Werkstoff bei Krafteinwirkung nachgibt (Widerstandskraft gegen Verformung) . Bei gleicher Belastung und Geometrie ist ein Bauteil aus einem Material mit hohem Elastizitätsmodul (wie z.B. Stahl) steifer als das gleiche Bauteil aus einem Material mit niedrigem Elastizitätsmodul (wie z.B. Gummi) . Hierzu wurden Versuche mit unterschiedlichen Glyceringehalten der Folien durchgeführt. Von den getesteten Glyceringehalten (0%, 5%, 10% und 20%) wurde mit 10% Glyceringehalt das beste E-Modul erzielt, wie aus Figur 2 ersichtlich ist. Dynamische Differenzkalometrie-Analysen ergaben einen Schmelzpunkt von etwa 90°C.
Des Weiteren wurden auch Presslinge aus geschichteten Folien hergestellt. Dies zeigt, dass sich die Folien zu einem fest verbundenen Werkstück verarbeiten lassen und sich somit für den Prozess des Pressens eignen. Dazu wurden mehrere Lagen der Folien entsprechend der Pressform zugeschnitten und geschichtet. Die Presslinge wurden bei einer Temperatur von 120 ° C und einer Zeit von 80 Sekunden mit abschließender Kühlung hergestellt .
Die mit dem vorgeschlagenen Verfahren hergestellten Produkte lassen sich auch gut kompostieren . Dies wurde in Versuchen nachgewiesen . Je nach Bedingungen und der Dicke des Materials dauert die vollständige Kompostierung etwa 4 bis 8 Wochen . Der Schlüssel für diese hervorragende Kompostierbarkeit des Produkts liegt in seinen natürlichen Inhaltsstof fen . Im Gegensatz zu vielen Biokunststof fen basieren die mit dem Verfahren hergestellten Folien auf natürlichen Biopolymeren ( also Hefebiomasse und Glycerin) . So besitzen die Mikroorganismen in der Natur bereits die nötigen Enzyme , um diese Verbindungen abzubauen und als Substrate für ihren natürlichen Stof fwechsel zu nutzen . Somit wird erneut Biomasse in der Umwelt aufgebaut und der Kohlenstof f kreislauf ist geschlossen .
Auch die Barriereeigenschaften der mit dem Verfahren hergestellten Folien sind für Anwendungen im Lebensmittelbereich ausreichend . So wurden bei Messungen an mit 10% Glycerin gemäß dem vorliegenden Verfahren hergestellten Folien eine normierte Sauerstof f-Durchlässigkeit bei 23 ° C / 50% r . F . im Bereich von 36 bis 41 cm3 100 pm/ (m2 d bar ) und eine gemittelte normierte Wasserdampf-Durchlässigkeit bei 23 ° C / 85% r . F . von 1409 ± 227 g 100 pm/ (m2 d) gemessen .
Natürliche Polymere wie Proteine und Polysaccharide weisen durch ihre hohe Anzahl an Wasserstof fbrückenbindungen eher eine geringe Barriere gegenüber Wasserdampf auf , zeigen aber eine hohe Sperrwirkung gegenüber Sauerstof f . Bei Lipiden ist es meist anders herum : die Hydrophobie resultiert in einer guten Barriere gegenüber Wasserdampf , aber zeigt eine hohe Durchlässigkeit gegenüber Sauerstof f . Bei der gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren hergestellten Folie können die Polysaccharid- und Lipidgehalte während der Fermentation, z . B . durch Medienzusammensetzung, Fermentationsbedingungen ( Dauer, Temperatur, Schüttelrate usw . ) oder auch durch gentechnische Veränderungen an der Hefe zusätzlich gesteuert werden . Eine weitere Beeinflussung der Eigenschaften der mit dem Verfahren hergestellten Produkte kann über eine Modi fi zierung der Hefebiomasse , beispielsweise zur Verbesserung verpackungsrelevanter Funktionalitäten, erfolgen . So hängen die Produktionsrate und der Ertrag von Hefebiomasse stark von der Konzentration der Kohlenstof f- und Stickstof f quellen sowie von der Belüftung des Kultivierungsmediums und der Kultivierungstemperatur ab . Vor allem die Zusammensetzung des Mediums beeinflusst die Zusammensetzung der Biomasse und insbesondere deren Lipidgehalt maßgeblich . Somit lassen sich die Eigenschaften der hergestellten Produkte zusätzlich durch Beeinflussung dieser Parameter optimieren, also insbesondere durch die Zusammensetzung des Mediums und die Fermentationsbedingungen .

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Herstellung einer Folie , einer Beschichtung oder eines Formkörpers aus einem bioabbaubaren Material , insbesondere für Verpackungen, das wenigstens folgende Schritte umfasst :
- Bereitstellen von Biomasse einer Hefe ,
- Homogenisierung der Biomasse , die wenigstens eine mechanische Behandlung der Biomasse umfasst , und
- Verarbeitung der homogenisierten Biomasse direkt oder nach Zugabe eines oder mehrerer weiterer Stof fe zu einer Folie , einer Beschichtung oder einem Formkörper, dadurch gekennzeichnet , dass als Hefe eine ölbildende Hefe eingesetzt wird und die Homogenisierung auch eine zellwandlösende Enzymbehandlung umfasst .
2 . Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass das Bereitstellen der ölbildenden Hefe eine Kultivierung eines oder mehrerer Stämme dieser Hefe auf Rohglycerin als Substrat umfasst .
3 . Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet , dass als ölbildende Hefe Yarrowia lipolyti ca eingesetzt wird .
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Enzymbehandlung durch eine Zymolase- Behandlung erfolgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Behandlung mittels Ultraschall erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als der weitere Stoff oder als einer der weiteren Stoffe Glycerin zugegeben wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Biomasse nach dem Zellaufschluss einer thermischen Behandlung, vorzugsweise in einem Wasserbad, unterzogen wird, um Proteine in der Biomasse zu denaturieren.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an die thermische Behandlung eine weitere Homogenisierung der Biomasse erfolgt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Biomasse vor der Homogenisierung gefriergetrocknet wird.
10. Verwendung der Biomasse einer ölbildenden Hefe, insbesondere von Yarrowia lipolytica, zur Herstellung einer Folie, einer Beschichtung oder eines Formkörpers.
11. Folie, Beschichtung oder Formkörper, die als Hauptbestandteil aus der Biomasse einer ölbildenden Hefe, insbesondere Yarrowia lipolytica, gebildet sind.
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