WO2001068892A1 - Verfahren zur gewinnung von polyhydroxyalkanoaten (pha) oder deren copolymeren - Google Patents

Verfahren zur gewinnung von polyhydroxyalkanoaten (pha) oder deren copolymeren Download PDF

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WO2001068892A1
WO2001068892A1 PCT/EP2001/002801 EP0102801W WO0168892A1 WO 2001068892 A1 WO2001068892 A1 WO 2001068892A1 EP 0102801 W EP0102801 W EP 0102801W WO 0168892 A1 WO0168892 A1 WO 0168892A1
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pha
biomass
phb
enzymatic
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PCT/EP2001/002801
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Dirk Schumann
Roland Arno MÜLLER
Original Assignee
Ufz Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle Gmbh
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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/62—Carboxylic acid esters
    • C12P7/625—Polyesters of hydroxy carboxylic acids

Definitions

  • the invention relates to an enzymatic-chemical process for the production of polyhydroxyalkanoates (PHA), in particular polyhydroxybutyrate (PHB), or their copolymers from biomass, which involves chemical treatment of the biomass with a reducing agent which reduces the non-PHA cell fractions of the biomass. includes, wherein the chemical treatment takes place before and / or after one, possibly also several, enzymatic cell disruptions.
  • the method according to the invention also enables polyhydroxyalkanoates to be obtained from biomass with relatively low PHA contents (e.g. ⁇ 60%) without drastically changing or deteriorating the polymer properties or purity.
  • PHA polyesters the best known representative of which is polyhydroxybutyrate (PHB), or for the production of PHA copolymers
  • PHB polyhydroxybutyrate
  • a number of processes are known which are described in numerous prior art documents, because PHB and others As fully biodegradable polymers with thermoplastic properties, PHAs are gaining increasing economic importance.
  • the microbial production of PHB from methanol is shown, for example, in EP 0 015 669 A2, and copolymers can be obtained, for example, from EP 0 304 293 A2 and EP 0 069 497 A2.
  • glucose / propionic acid are used as the substrate mixture.
  • Further processes for obtaining PHB with a good yield coefficient and sucrose as a substrate can be found, for example, in EP 0 149 744 A1 or for the production of PHB and its copolymers DE 196 19 084 C2.
  • the chemical extraction is usually carried out with halogenated solvents.
  • Solvents are used that are able to dissolve a relatively large amount of PHA (such as chloroform) or solvents with which very pure PHA can be obtained, since only small amounts of other cell components dissolve in them (such as dichloroethane).
  • PHA such as chloroform
  • solvents with which very pure PHA can be obtained since only small amounts of other cell components dissolve in them (such as dichloroethane).
  • EP 0 015 669 A2 may be mentioned, in which various methods for cell destruction and a subsequent PHB extraction from the destroyed cells by halogenated hydrocarbons
  • the microbial biomass is first separated from the culture liquid by filtration, separation or centrifugation (unless it is genetically modified, plant biomass), which - depending on the efficiency - may involve mechanical cell disruption (e.g. using a ball mill) to increase extraction yields followed.
  • the biomass drying takes place e.g. B. by freeze or ' spray drying.
  • the PHB, PHA or their copolymers are obtained from the dried biomass with a suitable extracting agent. By pre-extracting the dry biomass using solvents that do not dissolve the polyesters, the purity of the polymers obtained can be increased even further.
  • EP 0 124 309 AI the pre-extraction of the biomass with acetone, while in EP 0 058 480 AI methanol is used.
  • Amounts of solvents are generally an economic as well as an ecological problem. For this reason, processes have been developed that work solvent-free or low in solvents. Such processes do not physically dissolve the polymer granules, but rather the so-called NPCM cell components (non-PHA cell matter), with the exception of the intracellular granules, are made chemically or enzymatically water-soluble as far as possible. The granules can then be separated from the aqueous solution in a known manner.
  • PHB / PHA extraction is, for example, chemical cell disruption using hypochlorite. With this method almost all cell components with the exception of the polymer granules can be oxidatively destroyed. However, the method also has disadvantages. The outer shape of the granules is retained with this method, but the macromolecules are also partially damaged. This method is limited to the laboratory area on a small scale due to the strong reduction in the molar mass of the polymers as well as the release of environmentally hazardous wastewater.
  • PHA polyhydroxybutyrate-hydroxyvalerate copolymers
  • PHA polyhydroxybutyrate-hydroxyvalerate copolymers
  • PHA extraction especially Peroxides are also described in detail in EP 0 669 970 A2.
  • the oxidative methods not only break down undesired cell components, such as nucleic acids and cell wall polymers, but also the average molecular weight of the PHA polymers is also reduced in an undesirable manner.
  • This PHB / PHA production is therefore also not without loss of quality of the desired Polymer material feasible.
  • the macro-molecules can also be crosslinked by radical formation (for example on the methine carbon of a poly- ⁇ -hydroxyalkanoate). This partial crosslinking causes the solubility in PHA solvents to decrease until the polymer is only swellable. For applications in which the polymer solution is to be further processed, this crosslinking has a negative effect.
  • partial crosslinking reduces biodegradability, bioresorbability and biocompatibility and thus reduces important properties of the polyhydroxyalkanoates.
  • EP 0 145 233 A2 describes the use of proteolytic enzymes, partly in interaction with a phospholipase and / or with surface-active substances.
  • a process according to DE 693 11 738 T2 combines the effects of heat, possibly nucleases, proteolytic enzymes and / or phospholipases and / or lysozyme, chelating agents, surface-active substances and oxidative aftertreatment or solvent reprecipitation.
  • KR 9502866 e.g. only pre-extraction agents such as hot water or acetone, as well as a protease under strongly alkaline conditions.
  • the microorganisms used in the described enzymatic cell disruption are all known as PHA producers with a high PHA content - approx. 60-80% in dry matter , and these procedures were often more or less developed depending on the microorganisms used. From microorganisms with.
  • the polymer granules are known to be relatively easy to isolate, for example using a few steps, by a relatively high PHA content or special lysis properties.
  • the object of the invention was therefore to provide a method for obtaining PHA homo- and copolymers from biomass, in particular with lower PHA contents, which is easy and reliable to handle, and which has no or small amounts of PHB / PHA solvents gets along and in which a health burden for the processor or negative effects on the environment can be practically excluded. Nevertheless, the quality and yield of the PHA obtained should at least be comparable to that of the known extraction processes.
  • the object of the invention is achieved by a process for the enzymatic production of homo- or copolymers of polyhydroxyalkanoates (PHA) from biomass, in which the biomass is treated at least once before and / or after the enzymatic digestion with a reducing agent which is the non-PHA -Cell fractions of the biomass reduced.
  • PHA polyhydroxyalkanoates
  • the PHA can be obtained from a biomass in high yield and good quality using a chemical-enzymatic process, even if it has relatively low PHA contents, e.g. B. has contents ⁇ 60%. It is irrelevant when an addition of the invention
  • Reducing agent takes place, which (s) surprisingly reduces the non-PHA cell fractions (NPCM) of the biomass to a considerable extent and thus increases the PHA content.
  • the reducing agent treatment can take place before, between and after enzymatic digestions.
  • Reducing agents are understood in the sense of the invention as chemical agents which have the ability to cleave and
  • the reducing agents can optionally be used in combination with surfactants and / or complexing agents.
  • a dithionite salt, a disulfite salt, phosphorous acid and / or a hydroxylammonium compound are used as reducing agents, for example sodium dithionite, sodium disulfite or hydroxylammonium chloride.
  • dithionite is particularly preferably used as the reducing agent.
  • step 3 can take place before step 2 or step 1 can also follow again after step 3. Other steps may also be repeated or omitted if necessary.
  • the timing depends on the biomass and / or its PHA content, as well as on the later application and the desired purity of the PHA.
  • the biomass prior to the actual chemical-enzymatic digestion of the biomass, is pretreated with the aim of increasing the formation of agglomerates for faster and easier separation of the biomass from the culture fluid by sedimentation, filtration, separation and / or centrifugation.
  • the choice of this separation method largely depends on the microorganism used.
  • agglomeration is achieved by acidifying the pH of the biomass below the original value, in any case below the neutral point, into the acidic range. If necessary, enzymatic digestion is also carried out during this pretreatment.
  • PH values of 1 to 6.5 are preferred, a pH value of 1 to 5.5, particularly preferably 1-4, is particularly preferably set.
  • the short-term, ie 5 to 60 minutes exposure of higher temperatures to the biomass suspension between 30 and 140 ° C, preferably between 30 and 90 ° C, has a favorable effect on the particle enlargement.
  • the pH value of the biomass is briefly before max. 5-30 minutes at gradually set temperatures between 30 and 140 ° C to 7 to 12. Particularly preferably to a value from 8 to 9.
  • Chelating agents and / or proteolytic enzymes may also be used for increased agglomerate formation in the biomass and for simultaneous cell wall damage and reduction of the protein content.
  • the simultaneous use of pepsin has proven to be particularly advantageous.
  • the biomass is in the form of a solid bio-moist mass or bio-dry mass, it is diluted with water to the extent that the resulting suspension can be stirred.
  • An effective reduction in the non-PHA cell proportions is achieved by reacting the biomass with suitable chemical reducing agents.
  • suitable chemical reducing agents In theory, all reducing agents that can be used in an aqueous medium and do not cause any damage or contamination to the PHA, that is to say their properties deteriorate drastically, are suitable for this.
  • the significant reduction in the non-PHA cell proportions is greater than would be expected from the chemical reduction of certain functional groups.
  • dithionite salt Depending on the type of biomass and its PHA content, 1-200 g, preferably 10-100 g, particularly preferably 20-80 g dithionite salt are used per kilogram of dry biomass.
  • the dithionite salt process is carried out under neutral to alkaline conditions, preferably at pH values from 7 to 10, particularly preferably at pH values from 8 to 9. Temperatures between 20 to 110 ° C, preferably between 40 to 90 ° C, are advantageous.
  • chelating agents are, for example, EDTA (ethylenediaminetetraacetic acid), 1,2-bis (2-aminoethoxy) ethane-N, N, N ', N' -tetraacetic acid, nitrilotriacetic acid, citric acid, tartaric acid, polyphosphates and others.
  • Nonionic or anionic surfactants used. After this treatment, the suspension of PHA, raw PHA or biomass containing PHA is separated from the liquid in a known manner (for example by centrifugation or (cross-flow) filtration), which now contains the solubilized non-PHA cell parts.
  • the PHA-containing moist mass is then washed in at least one or more steps with, preferably 40 to 100 ° C. hot, particularly preferably 60 to 80 ° C. hot, deionized, surfactant-containing water until no more solubilized non-PHA cell parts are washed out can.
  • Process step 2 (optionally depending on the residual content of non-PHA cell parts and purity requirements - can also be step 1):
  • the moist mass is resuspended and treated with proteolytic enzymes.
  • Pancreatin or the individual enzymes contained therein trypsin, chymotrypsin, as well as papain, bromelain, ficin, rennin, subtilisin and others are suitable. or their mixtures, provided there is no clear mutual degradation.
  • esterases such as e.g.
  • Triacylglyceryl lipase (s) either as part of the pancreatin mixture or as a single enzyme or other esterases, provided they do not cleave the ester linkage of the PHA. This will e.g. the solubilization of fats and lipids, especially the lipopolysaccharide portion of the cell wall of gram-negative bacteria.
  • Appropriate surfactants are added to the suspension to remove the fatty acids released. After this treatment, the particles are separated from the liquid in a known manner and the moist mass obtained is washed at least once or more with deionized, surfactant-containing water.
  • Process step 3 (optionally depending on the residual content of non-PHA cell components and purity requirements): To remove the (partially) remaining peptidoglycan, the moist mass or its suspension is treated with lysozymes, such as, for example, mureinase, and possibly with cellulases to support the cleavage of the ⁇ -1,4-bond. After the treatment, the particles are separated from the suspension and the wet mass is washed as already described. If not already done in a previous step, the PHA obtained is now dried in a known manner. If the PHA content is high enough, drying takes place relatively quickly due to the hydrophobic nature of the PHA and can already be observed at room temperature.
  • lysozymes such as, for example, mureinase
  • Process step 4 (optionally depending on the residual content of non-PHA cell fractions and purity requirements):
  • the dry mass of PHA granules is optionally cleaned with non-PHA solvents to remove residual impurities, in particular lipids.
  • Alcohols such as methanol, ethanol or propanols, ketones such as acetone or ethyl methyl ketone, esters such as methyl and ethyl acetate, and alkanes such as pentane, hexane, heptane or mixtures of all solvents described or mixtures with water are particularly suitable for this purpose.
  • Purification of the relatively pure PHA already obtained can also be carried out in a further step by re-treatment with the reducing agent, e.g. the dithionite.
  • the reducing agent e.g. the dithionite.
  • the yields achieved are significantly higher than when using conventional PHA extractants, since the cell mass with the polyesters practically always remains in the same vessels and material losses are therefore low.
  • at least about 75%, preferably up to more than 95%, of the PHB present in the biomass or their copolymers can be obtained.
  • the health impact in the method according to the invention is also to be regarded as extremely low, especially when compared to extractions
  • Enzymes are only used in relatively small amounts and are practically biodegradable. For a possible
  • Post-extraction solvents are relatively non-toxic and recyclable.
  • the invention is to be described in more detail below with the aid of exemplary embodiments, without. to limit them to this.
  • step 1 the pH of the suspension was increased from 5.1 initially with sodium hydroxide solution to 8.5. Added to this were 1.8 g (0.2% based on dry biomass) nonionic teside and 4.5 g 5 (0.5%) ethylenediaminetetraacetic acid sodium salt. Finally, 90.0 g (10.0%) of sodium dithionite (with iodometrically measured 87% dithionite content) were added and, with stirring and a protective atmosphere, heated from 20 ° C. to 80 ° C. within one hour. After half an hour at 0 80 ° C, the suspension was cooled to 60 ° C and centrifuged warm (approx. 20000xg). The wet pellets were then resuspended in demineralized water and centrifuged again. The wet mass washed once in this way was resuspended to the original volume for step 2.
  • the slightly alkaline conditions are important for the pH optimum of the enzyme mixture 0 triacylglyceryl lipase (1.8 g or 0.2%) and pancreatin (1.8 g or 0.2%) added subsequently.
  • 1.8 g was added nonionic surfactant added.
  • the duration of exposure was 12 hours with stirring and protective gas at 40 ° C. The particles were then separated again by centrigugation, washing and resuspending to the initial volume.
  • step 3 the pH was lowered from 7.5 to 5.0 using dilute sulfuric acid and 1.8 g (0.2% of the original dry weight) of lysozyme (mureinase) was added. The action lasted 4 hours at 40 ° C with stirring and in a protective atmosphere. Then 1.8 g of papain were added and the suspension was left at 60 ° G for 2 h. At the end there was centrifugation and 3 more washes with deionized water. The wet mass of PHB was spread out in flat form to dry at room temperature. The PHB obtained in this way still contained impurities, especially free fatty acids (analysis by GC-MS), which could be removed by post-extraction with the non-PHB solvent ethyl acetate (step 4). A total of 472 g of PHB were obtained with a yield of about 95%. The gas chromatographic examination of the purity of the PHB gave an average content of 99.5% at the end of the working up.
  • lysozyme mureinase
  • Diagram 1 shows the enrichment of the PHB content during processing. This also clearly shows the effect of the chemical addition of dithionite according to the invention.
  • Example 2 Obtaining PHB from a Paracoccus biomass
  • step 1 the pH of the suspension was increased from initially 4.8 to 8.5 with sodium hydroxide solution. Added to this were 11.5 g (approx. 0.2% based on dry biomass) of nonionic surfactant and 30.0 g (0.5%) of sodium ethylenediaminetetraacetic acid. Finally, 180.0 g (3.0%) of sodium dithionite were added and the mixture was heated from 20 ° C. to 80 ° C. within one hour with stirring and under a protective atmosphere. After half an hour at 80 ° C the suspension was cooled to 60 ° C and centrifuged warm (approx. 20000xg). This was followed by the resuspension of the wet mass pellets in demineralized water and a further centrifugation. The wet mass washed in this way was resuspended to the original volume for step 2.
  • step 2 the pH was checked and adjusted from 7.2 to 8.5 again with sodium hydroxide solution.
  • the enzyme / surfactant mixture of triacylglyceryl Lipase, pancreatin and surfactant added.
  • the duration of exposure was 12 hours with stirring and protective gas at 40 ° C.
  • the particles were then separated again by centrigugation, washing and resuspending to the initial volume.
  • step 3 the pH was lowered to 5.5 using dilute sulfuric acid and lysozyme was added. The action lasted 4 hours at 40 ° C with stirring and in a protective atmosphere. Papain was then added and the suspension was left at 60 ° C. for 2 hours. At the end, as in Example 1, centrifugation and 3 washes with deionized water took place. The PHB mass obtained was spread out flat and dried at room temperature. As in Example 1, the PHB again contained impurities such as free fatty acids and indole compounds (GC-MS analysis), which were removed by post-extraction with ethyl acetate (step 4). A total of 2653 g PHB were obtained with a yield of approx. 85%.
  • Diagram 2 shows the enrichment of the PHB content during processing. The effect of the chemical addition of dithionite according to the invention is also evident here.
  • Example 4 Washing out NPCM (non-PHA cell matter) and increasing the PHB content of an etAylocystis biomass with a relatively low PHB content by reducing agents according to the invention
  • a biomass was a suspension of the PHB producer Methylocystis spec., Thickened by centrifugation, washed with demineralized water, thickened again and then freeze-dried. GB 25 used. The PHB formation took place in the cells under sulfate deficiency conditions; the PHB content at the beginning was 34%, based on dry biomass.
  • the frozen biomass pellets from the experiments were each removed in one piece from the centrifuge beakers, freeze-dried and examined for washing out of the NPCM or for PHB content.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein enzymatisch-chemisches Verfahren zur Gewinnung von Polyhydroxyalkanoaten (PHA), insbesondere von Polyhydroxybutyrat (PHB), oder deren Copolymeren aus Biomasse, das eine chemische Behandlung der Biomasse mit einem Reduktionsmittel, das die Nicht-PHA-Zellanteile der Biomasse vermindert, beinhaltet, wobei die chemische Behandlung vor und/oder nach einem enzymatischen Zellaufschluss erfolgt. Das erfindungsgemässe Verfahren ermöglicht, im Gegensatz zu anderen Zellaufschlüssen, auch die Gewinnung von Polyhydroxyalkanoaten aus Biomassen mit relativ geringen PHA-Gehalten (z.B < 60 %), ohne dadurch die Polymereigenschaften oder -reinheit drastisch zu verändern bzw. zu verschlechtern.

Description

Verfahren zur Gewinnung von Polyhydroxyalkanoaten (PHA) oder deren Copoly eren
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein enzymatisch-chemisches Verfahren zur Gewinnung von Polyhydroxyalkanoaten (PHA) , insbesondere von Polyhydroxybutyrat (PHB) , oder deren Copolymeren aus Biomasse, das eine chemische Behandlung der Biomasse mit einem Reduktionsmittel, das die Nicht-PHA-Zellanteile der Biomasse vermindert, beinhaltet, wobei die chemische Behandlung vor und/oder nach einem, ggf. auch mehreren, enzymatischen Zellaufschlüssen erfolgt. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht, im Gegensatz zu anderen Zellaufschlüssen, auch die Gewinnung von Polyhydroxyalkanoaten aus Biomassen mit relativ geringen PHA-Gehalten (z.B < 60%), ohne dadurch die Polymereigenschaften oder - reinheit drastisch zu verändern bzw. zu verschlechtern.
Für die mikrobielle Herstellung der PHA-Polyester, deren bekanntester Vertreter das Polyhydroxybutyrat (PHB) ist, bzw. für die Herstellung von PHA-Copolymeren sind eine Reihe von Verfahren bekannt, die in zahlreichen Dokumenten des Standes der Technik beschrieben sind, denn PHB und andere PHA gewinnen als biologisch voll abbaubare Polymere mit thermoplastischen Eigenschaften zunehmend wirtschaftliche Bedeutung. So ist die mikrobielle Produktion von PHB aus Methanol z.B. in EP 0 015 669 A2 dargestellt, die Gewinnung von Copolymeren kann z.B. EP 0 304 293 A2 und EP 0 069 497 A2 entnommen werden. Hierbei kommen beispielsweise Glucose/Propionsäure als Substratgemisch zum Einsatz . Weitere Verfahren zur Gewinnung von PHB mit einem guten Ertragskoeffizienten und Saccharose als Substrat sind z.B. EP 0 149 744 AI oder zur Herstellung von PHB und deren Copolymeren DE 196 19 084 C2 zu entnehmen.
Nach dem Stand der Technik erfolgt die Aufarbeitung PHA- haltiger Biomasse entweder durch Extraktion einer getrockneten Biomasse mit entsprechenden PHB/PHA- Lösungsmitteln, chemisch durch Zugabe zeilzerstörender Substanzen oder enzymatisch.
Die chemische Extraktion wird in der Regel mit halogenierten Lösungsmitteln durchgeführt . Zur Anwendung kommen Lösungsmittel, die relativ viel PHA zu lösen vermögen (wie z.B. Chloroform) oder Lösungsmittel mit denen sehr reine PHA gewonnen werden kann, da sich in diesen nur geringe Mengen an anderen Zellbestandteilen lösen (wie z.B. in Dichlorethan) . Beispielsweise sei EP 0 015 669 A2 genannt, in dem verschiedene Methoden zur Zellzerstörung und eine daran sich anschließende PHB-Extraktion aus den zerstörten Zellen durch halogenierte Kohlenwasserstoffe
(z.B. Chloroform, Dichlormethan, 1, 2-Dichlorethan und 1,2-
Dichlorpropan) dargestellt sind. Der Einsatz von halogenierten Lösungsmitteln wird auch in zahlreichen anderen Druckschriften (z.B. US-A 3,275,610 - Chloroform, 1,2-Dichlorethan in EP 0 014 490 A und EP 0 015 123 A) beschrieben.
Um die gesundheitsgefährdenden halogenierten Lösungsmittel zu umgehen, sind auch andere Verfahren, die unbedenklichere
Lösungsmittel verwenden, entwickelt worden. So ist z.B. die
Verwendung von cyclischen Kohlensäureestern bekannt (US-A
410533) oder die Verwendung von Ethyl- bzw. Methyllactat
(DE 27 01 278 AI, DE 195 33 459 Cl und DE 196 23 778) . Auch die Verwendung von Essigsäure oder Essigsäureanhydrid als Lösungsmittel seien erwähnt (DE 197 12 702 AI, DD 229428 AI) .
Die einzelnen Verfahrensschritte bei PHA-Extraktionen können dabei wie folgt dargestellt werden:
Die mikrobielle Biomasse wird zunächst von der Kulturflüssigkeit durch Filtration, Separation oder Zentrifugation abgetrennt (sofern es sich nicht um gentechnisch veränderte, pflanzliche Biomasse handelt) , wobei sich ggf. - je nach Effizienz - ein mechanischer Zellaufschluß (z.B. mittels Kugelmühle) zur Steigerung von Extraktionsausbeuten anschließt. Die Biomasse-Trocknung erfolgt z. B. durch Gefrier- bzw.' Sprühtrocknung. Aus der getrockneten Biomasse wird die PHB, PHA bzw. deren Copolymere mit einem geeigneten Extraktionsmittel gewonnen. Durch Vorextraktionen der Biotrockenmasse unter Verwendung von Lösungsmitteln, die nicht die Polyester lösen, kann die Reinheit der gewonnenen Polymere noch erhöht werden.
So beschreibt z.B. EP 0 124 309 AI die Vorextraktion der Biomasse mit Aceton, während in EP 0 058 480 AI Methanol verwendet wird.
Neben der häufig notwendigen Vorextraktionen und aufgrund der allgemein relativ schlechten Löslichkeit von PHB bzw. vor allem der sogenannten short-side-chain-/ssc-PHA müssen generell große Mengen an Extraktionsmittel verwendet werden. Daneben bereitet die Abtrennung der hochviskosen
Polymerlösung von den restlichen Zellbestandteilen Schwierigkeiten. Zusätzlich stehen viele der verwendeten
PHB-/PHA-Lösungsmittel, insbesondere die halogenierten, im
Verdacht, starke gesundheitsschädigende Wirkungen zu haben.
Auch die Verwendung, Handhabung und Lagerung von großen
Mengen an Lösungsmitteln stellt im allgemeinen ein ökonomisches wie auch ökologisches Problem dar. Aus diesem Grund sind auch Verfahren entwickelt worden, die lösungsmittelfrei oder -arm arbeiten. Mit solchen Verfahren werden nicht die Polymergranula physikalisch aufgelöst, sondern die sogenannten NPCM-Zellbestandteile (non-PHA- cell-matter) werden mit Ausnahme der intrazellulären Granula chemisch oder enzymatisch soweit wie möglich wasserlöslich gemacht. Die Granula können dann von der wässrigen Lösung auf bekannte Weise abgetrennt werden.
Zu den am längsten bekannten Verfahren der PHB-/PHA- Gewinnung gehört zum Beispiel der chemische Zellaufschluss mittels Hypochlorid. Mit diesem Verfahren können nahezu alle Zellbestandteile mit Ausnahme der Polymergranula oxidativ zerstört werden. Das Verfahren hat jedoch auch Nachteile. So bleibt die äußere Form der Granula bei dieser Methode zwar erhalten, jedoch die Makromoleküle werden ebenfalls teilweise geschädigt. Sowohl durch die starke Herabsetzung der Molmasse der Polymere, als auch durch die Freisetzung umweltgefährdender Abwässer ist diese Methode auf den Laborbereich im Kleinmaßstab beschränkt.
Ein anderes oxidatives Verfahren ist in DE 694 07 177 T2 dargestellt. Die Gewinnung von PHA, speziell von Polyhydroxybutyrat-hydroxyvalerat-Copolymeren (PHBHV) erfolgt entweder mittels Wasserstoffperoxid (bevorzugt) oder mit Peressigsäure, Perborat, Percarbonat bzw. mit Chlor und Chlor-haltigen Oxidationsmitteln in Gegenwart von Chelatbildnern. Die Wirkung der Oxidationsmittel zur PHA- Gewinnung, v.a. von Peroxiden wird auch ausführlich in EP 0 669 970 A2 beschrieben.
Durch die oxidativen Methoden werden jedoch nicht nur unerwünschte Zellbestandteile, wie z.B. Nukleinsäuren und Zellwandpolymere, abgebaut, sondern die durchschnittliche Molmasse der PHA-Polymere wird ebenfalls in unerwünschter Weise herabgesetzt. Diese PHB/PHA-Gewinnung ist deshalb ebenfalls nicht ohne Qualitätseinbüßen des gewünschten Polymerwerkstoffes durchführbar. Ein besonderer Nachteil ist dies verständlicherweise bei Biomassen mit geringerem PHA-Gehalt, denn je geringer der PHA-Gehalt ist, desto stärker muß oxidiert werden und um so wahrscheinlicher ist die Schädigung der Polyester. Außerdem können die Makro- moleküle auch durch Radikalbildung (z.B. am Methin- Kohlenstoff eines Poly-ß-hydroxyalkanoats) miteinander vernetzt werden. Diese teilweise Vernetzung verursacht eine Herabsetzung der Löslichkeit in PHA-Lösungsmitteln, bis das Polymer nur noch quellfähig ist. Für Anwendungen, bei denen eine Weiterverarbeitung der Polymerlösung vorgesehen ist, macht sich diese Vernetzung negativ bemerkbar. Darüber hinaus reduziert eine partielle Vernetzung die biologische Abbaubarkeit, die Bioresorbierbarkeit, sowie die Biokompatibilität und mindert damit wichtige Eigenschaften der Polyhydroxyalkanoate .
Bekannte Verfahren, die diese Nachteile vermeiden, lysieren die unerwünschten Zellbestandteile mit Hilfe von Enzymen. So beschreibt EP 0 145 233 A2 den Einsatz von proteolytischen Enzymen, teilweise im Zusammenwirken mit einer Phospholipase und/oder mit oberflächenaktiven Substanzen. In einem Verfahren nach DE 693 11 738 T2 werden Wärmeeinwirkung, evtl. Nucleasen, proteolytische Enzyme und/oder Phospholipasen und/oder Lysozym, Chelatbildner, oberflächenaktive Substanzen und oxidative Nachbehandlung bzw. Lösungsmittelumfällung kombiniert. Nach KR 9502866 werden z.B. lediglich Vorextraktionsmitteln eingesetzt, wie heißes Wasser oder Aceton, sowie eine Protease unter stark alkalischen Bedingungen.
Die in den beschriebenen enzymatischen Zellaufschlüssen eingesetzten, Mikroorganismen [größtenteils Ralstonia eutrophus (früher: Alcaligenes eutrophus) , Alcaligenes latus, diverse Pseudomonas-Stämme u.a.] sind sämtlich als PHA-Produzenten mit hohem PHA-Gehalt bekannt - ca. 60-80% in Trockenmasse, und diese Verfahren wurden oft mehr oder weniger in Abhängigkeit von den verwendeten Mikroorganismen entwickelt . Aus Mikroorganismen mit . relativ hohem PHA- Gehalt oder besonderen Lyse-Eigenschaften sind zudem bekanntermaßen die Polymergranula leicht, z.B. unter Anwendung weniger Schritte, isolierbar. Oft genügt der Einsatz von einem bis zwei Enzymen, oberflächenaktiven Substanzen und evtl . Chelatbildnern zur Gewinnung der Polymere. Teilweise genügt ein oxidatives Verfahren, um eine Reinheit von 90 bis ca. 98% zu erreichen, insbesondere wenn Mikroorganismen eingesetzt werden können, deren PHA- Gehalt schon im Vorfeld relativ hoch ausfällt, z.B. 70-80%.
Die Gewinnung von PHA aus Biomasse mit einem geringeren PHA-Gehalt von beispielsweise 30-60% ist dagegen nur mit höherem Aufwand (d.h. mit mehreren Schritten) möglich. Der Aufwand ist um so höher, je niedriger der PHA-Gehalt der Biomasse ist. Bisher bekannte Verfahren sind nicht oder nur bedingt für die Gewinnung von PHA aus Mikroorganismen mit geringem PHA-Gehalt geeignet .
Es hat sich nämlich herausgestellt, dass die an sich übliche, sofortige Zellwandlyse in einem ersten Schritt
(z.B. mit Lysozym) nicht unbedingt die beste Möglichkeit ist, den NPCM-Anteil der Biomasse auszuwaschen. Dies gilt besonders für PHA-Produzenten mit niedrigerem PHA-Gehalt. Eine oft auftretende unvollständige Lyse und Agglomeration der Biomasse, einschließlich der PHA können dann die weitere Reinigung der PHA-Granula durch Einschluss von Verunreinigungen deutlich erschweren.
Bei der Auswahl der Mikroorganismen zur PHA-Gewinnung stand bisher deren Akkumulationsfahigkeit für hohe PHA-Gehalte im Vordergrund. .Aufgrund der Änderung der Anwendungsgebiete, vom früher angestrebten Massenprodukt zum heutigen Spezialprodukt aus PHA, kommt es vor, dass ein Mikroorganismus mit einem relativ niedrigen Polymer-Gehalt zu bevorzugen ist, der andere Vorteile aufweist. Dies können z.B. herausragende mechanische Eigenschaften der PHA, hohe Molmassen etc. sein, sowie eine schnelle, kostengünstige Kultivierung des Stammes (z.B. keine Sterilisation der Geräte nötig, etc.)
Aufgabe der Erfindung war es deshalb, ein Verfahren zur PHA-Homo- und Copolymeren-Gewinnung aus Biomasse, insbesondere mit geringeren PHA-Gehalten, bereitzustellen, das einfach und zuverlässig zu handhaben ist, welches ohne oder mit geringen Mengen an PHB/PHA-Lösungsmitteln auskommt und bei dem eine gesundheitliche Belastung für den Verarbeiter bzw. negative Auswirkungen auf die Umwelt praktisch auszuschließen sind. Dennoch sollte die Qualität und Ausbeute der gewonnenen PHA mindestens mit denen der bekannten Extraktionsverfahren vergleichbar sein.
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren zur enzymatischen Gewinnung von Homo- oder Copolymeren von Polyhydroxyalkanoaten (PHA) aus Biomasse, bei dem die Biomasse vor und/oder nach dem enzymatischen Aufschluss mindestens einmal mit einem Reduktionsmittel behandelt wird, welches die Nicht-PHA-Zellanteile der Biomasse vermindert .
Damit kann unter Anwendung eines chemisch-enzymatischen Verfahrens die PHA in hoher Ausbeute und guter Qualität aus einer Biomasse gewonnen werden, auch wenn diese relativ geringe PHA-Gehalte, z. B. Gehalte <60% aufweist. Dabei ist es unerheblich, wann ein Zusatz des/der erfindungsgemäßen
Reduktionsmittel (s) erfolgt, welche (s) überraschend die Nicht-PHA-Zellanteile (NPCM) der Biomasse in einem erheblichen Ausmaß reduziert und somit den PHA-Gehalt erhöht. Die Reduktionsmittelbehandlung kann vor, zwischen und nach enzymatischen Aufschlüssen erfolgen. Unter
Reduktionsmitteln werden im Sinne der Erfindung chemische Mittel verstanden, die die Fähigkeit zur Spaltung und zum
Abbau von Proteinen, Nukleinsäuren und Polysacchariden (Zellwandspaltung) aufweisen. Die Reduktionsmittel können gegebenenfalls in Kombination mit Tensiden und/oder Komplexbildnern eingesetzt werden.
In einer bevorzugten Variante der Erfindung werden als Reduktionsmittel ein Dithionit-Salz, ein Disulfit-Salz, phosphorige Säure und/oder eine Hydroxylammonium-Verbindung angewendet, beispielsweise Natriumdithionit, Natriumdisulfit oder Hydroxylammoniumchlorid. Erfindungsgemäß besonders bevorzugt wird Dithionit als Reduktionsmittel eingesetzt .
Das . erfindungsgemäße Verfahren ist im einzelnen weiter unten beschrieben, wobei ' die Reihenfolge der einzelnen Schritte austauschbar ist . So kann der als Verfahrensschritt 3 bezeichnete Schritt vor Schritt 2 erfolgen oder Schritt 1 sich auch noch einmal nach Schritt 3 anschließen. Ebenso werden bei Bedarf andere Schritte wiederholt oder weggelassen. Die zeitliche Anordnung hängt sowohl von der Biomasse und/oder ihrem PHA-Gehalt ab, wie auch von der späteren Anwendung und gewünschten Reinheit der PHA.
Erfindungswesentlich ist dabei die mindestens einmalige Durchführung der chemischen Behandlung der Biomasse zur Entfernung von NPCM, wie in Verfahrensschritt 1 beschrieben.
In einer bevorzuten Ausführungvariante der Erfindung erfolgt vor dem eigentlichen chemisch-enzymatischen Aufschluss der Biomasse eine Vorbehandlung der Biomasse mit dem Ziel der vermehrten Bildung von Agglomeraten zur schnelleren und leichteren Abtrennung der Biomasse von der Kulturflüssigkeit durch Sedimentation, Filtration, Separation und/oder Zentrifugation. Die Wahl dieser Abtrennmethode ist weitgehend abhängig vom eingesetzten Mikroorganismus . Gemäß vorliegender Erfindung wird eine Agglomeration dadurch erreicht, dass der pH-Wert der Biomasse durch Ansäuern unter den ursprünglichen Wert, auf jeden Fall unter den Neutralpunkt in den sauren Bereich verschoben wird. Gegebenenfalls wird auch schon während dieser Vorbehandlung enzymatisch aufgeschlossen. Bevorzugt sind pH-Werte von 1 bis 6,5, besonders bevorzugt wird ein pH- Wert von 1 bis 5,5, besonders bevorzugt von 1-4, eingestellt. Die kurzzeitige, d.h. 5 bis 60 minütige Einwirkung höherer Temperaturen auf die Biomasse-Suspension zwischen 30 und 140°C, bevorzugt zwischen 30 und 90°C wirken sich günstig auf die Partikelvergrößerung aus . In einer Ausführungsvariante zur Agglomerisation wird der pH- Wert der Biomasse vor der Säuerung kurzzeitig für max. 5-30 Minuten bei stufenweise eingestellten Temperaturen zwischen 30 und 140°C auf 7 bis 12 eingestellt. Besonders bevorzugt auf einen Wert von 8 bis 9.
Zur erhöhten Agglomerat-Bildung in der Biomasse, und um eine gleichzeitige Zellwandschädigung und Reduzierung des Proteingehaltes herbeizuführen, werden ggf. zusätzlich Chelatbildner und/oder proteolytische Enzyme eingesetzt . Bei der Flockung der Mikroorganismen im Sauren hat sich der gleichzeitige Einsatz von Pepsin als besonders vorteilhaft herausgestellt .
Im Anschluß daran werden die noch festen, geflockten Biomasse-Bestandteile in bekannter Weise von der Flüssigkeit abgetrennt. Dies kann zum Beispiel durch Filtration, Separation, Zentrifugation oder Sedimentation, z.B. in einem Schrägklärer, erfolgen. Verfahrensschritt 1 :
Sofern die Biomasse in Form von fester Biofeuchtmasse oder Biotrockenmasse vorliegt, wird -sie soweit mit Wasser verdünnt, dass die entstehende Suspension gerührt werden kann. Eine effektive Verminderung der Nicht-PHA-Zellanteile erreicht man durch Reaktion der Biomasse mit geeigneten chemischen Reduktionsmitteln. Dafür kommen theoretisch alle Reduktionsmittel in Frage, die in einem wassrigen Medium einsetzbar sind und keine Schädigungen oder Verunreinigungen an der PHA hervorrufen, also ihre Eigenschaften drastisch verschlechtern. Besonders bevorzugt ist erfindungsgemäß der Einsatz eines Dithionit-Salzes, vorzugsweise Natriumdithionit , welches auf Nicht-PHA- Zellbestandteile (partiell) reduzierend wirkt und/oder deren Hydrolyse fördert . Überraschenderweise ist die deutliche Verringerung der Nicht-PHA-Zellanteile größer, als durch die chemische Reduktion von bestimmten funktioneilen Gruppen zu erwarten wäre .
Je nach Art der Biomasse und deren PHA-Gehalt werden 1- 200g, bevorzugt 10-100g, besonders bevorzugt 20-80g Dithionit-Salz pro Kilogramm Biotrockenmasse verwendet. Das Verfahren mit Dithionit-Salz wird unter neutralen bis alkalischen Bedingungen, vorzugsweise bei pH-Werten von 7 bis 10, besonders bevorzugt bei pH-Werten von 8 bis 9, durchgeführt. Temperaturen zwischen 20 bis 110°C, bevorzugt zwischen 40 bis 90°C, sind vorteilhaft.
Zur Destabilisierung der Zellwände werden ggf. weitere Zusatzstoffe wie z.B. Chelatbildner und/oder Tenside zugegeben. Geeignete Chelatbildner sind z.B. EDTA (Ethylendiamintetraessigsäure) , 1, 2-Bis (2-aminoethoxy) - ethan-N,N,N' ,N' -tetraessigsäure, Nitrilotriessigsäure, Citronensäure, Weinsäure, Polyphosphate u.a. Als Tenside werden bevorzugt nicht-ionische oder anionische Tenside eingesetzt . Nach dieser Behandlung wird die Suspension aus PHA, Roh-PHA oder PHA-haltige Biomasse auf bekannte Weise (z.B. durch Zentrifugation oder (Querstrom-) Filtration) von der Flüssigkeit abgetrennt, welche nunmehr die solubilisierten Nicht-PHA-Zellanteile enthält. Anschließend wird die PHA- haltige Feuchtmasse in zumindest einem oder auch mehreren Schritten mit, vorzugsweise 40 bis 100°C heißem, besonders bevorzugt 60 bis 80°C heißem, deionisiertem, tensidhaltigem Wasser gewaschen, bis keine solubilisierten Nicht-PHA- Zellanteile mehr ausgewaschen werden können.
Verfahrensschritt 2 (optional je nach Restgehalt an Nicht- PHA-Zellanteilen u. Reinheitsanforderungen - kann auch Schritt 1 sein) : Zur weiteren Solubilisierung von Nicht-PHA-Zellanteilen wird die Feuchtmasse resuspendiert und mit proteolytischen Enzymen behandelt . In Frage kommen Pancreatin oder die darin enthaltenen Einzelenzyme Trypsin, Chymotrypsin, sowie Papain, Bromelain, Ficin, Rennin, Subtilisin u.a. bzw. deren Mischungen, sofern kein deutlicher, gegenseitiger Abbau erfolgt. Vorteilhaft ist weiterhin der Einsatz von Esterasen, wie z.B. (Triacylglyceryl-)Lipase (n) entweder als Bestandteil des Pancreatin-Gemisches oder als Einzelenzym bzw. andere Esterasen, sofern sie die Esterbindung der PHA nicht spalten. Dadurch wird z.B. die Solubilisierung von Fetten und Lipiden, v.a. des Lipopolysaccharid-Anteils der Zellwand gram-negativer Bakterien erleichtert. Zur Entfernung der freiwerdenden Fettsäuren wird die Suspension mit entsprechenden Tensiden versetzt. Nach dieser Behandlung werden die Partikel auf bekannte Art von der Flüssigkeit abgetrennt und die erhaltene Feuchtmasse zumindest einmal oder mehrmals mit deionisiertem, tensidhaltigem Wasser gewaschen.
Verfahrensschritt 3 (optional je nach Restgehalt an Nicht- PHA-Zellanteilen und Reinheitsanforderungen) : Die Feuchtmasse oder deren Suspension wird zur Entfernung des (teilweise) verbliebenen Peptidoglykans mit Lysozymen, wie z.B. Mureinase, und evtl. mit Cellulasen zur Unterstützung der Spaltung der ß - 1,4-Bindung, behandelt. Nach der Behandlung werden die Partikel aus der Suspension abgetrennt und die Feuchtmasse wie schon beschrieben gewaschen. Falls nicht schon in einem vorherigen Schritt erfolgt, wird nun die erhaltene PHA auf bekannte Weise getrocknet. Bei genügend hohem PHA-Gehalt erfolgt die Trocknung durch die hydrophobe Eigenschaft der PHA relativ schnell und kann bereits bei Raumtemperatur beobachtet werde .
Verfahrensschritt 4 (optional je nach Restgehalt an Nicht- PHA-Zellanteilen und Reinheitsanforderungen) : Die trockene Masse aus PHA-Granula wird ggf. zur Entfernung von restlichen Verunreinigungen, insbesondere von Lipiden, mit Nicht-PHA-Lösungsmitteln nachgereinigt. Besonders geeignet sind dazu Alkohole wie Methanol, Ethanol oder Propanole, Ketone wie Aceton oder Ethylmethylketon, Ester wie Methyl- und Ethylacetat, sowie Alkane wie Pentan, Hexan, Heptan bzw. Gemische aus allen beschriebenen Lösungsmitteln bzw. Gemische mit Wasser.
Eine andere Möglichkeit zur Nachreinigung ist die Umfällung der PHA mittels PHA-Lösungsmitteln, wobei die PHA-Lösung zuvor von evtl. unlöslichen Verunreinigungen z.B. durch Filtration gereinigt wird.
Eine Reinigung der bereits erhaltenen relativ reinen PHA kann ebenfalls in einem weiteren Schritt durch eine erneute Behandlung mit dem Reduktionsmittel, z.B. dem Dithionit, erfolgen.
Der große Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in seiner vereinfachten Abtrennung der Biomasse aus der Kulturflüssigkeit durch eine eventuelle Vorbehandlung
(Agglomeration) und der Sedimentation der (partiell abgebauten) Mikroorganismen bzw. der Polymergranula, sowie die sofortige Weiterbehandlung ohne - wie oft bei der Lösungsmittel-Extraktion - einen langwierigen Trocknungs- schritt während der Aufarbeitung durchführen zu müssen. Darüber hinaus wird der mechanische Zellaufschluß durch die zeitlich kürzere und effektivere chemisch-enzymatische Behandlung ersetzt. Besonders hervorzuheben ist die effiziente Reduzierung der Nicht-PHA-Zellanteile aus der Biomasse durch den chemischen Schritt, vor allem in Verbindung mit enzymatischen Schritten. Überraschend war dabei insbesondere die deutliche Reduzierung der Nicht-PHA- Zellanteile durch den chemischen Schritt, ohne starke Qualitätseinbüßen der Polymer-Eigenschaften, so dass die Methode besonders die Gewinnung' von PHA aus Biomassen mit relativ geringem PHA-Gehalt erlaubt.
Die erzielten Ausbeuten liegen deutlich höher als bei Verwendung üblicher PHA-Extraktionsmittel, da die Zellmasse mit den Polyestern praktisch immer in denselben Gefäßen verbleibt und daher Materialverluste gering sind. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können mindestens etwa 75%, vorzugsweise bis mehr als 95% der in der Biomasse vorhandenen PHB bzw. deren Copolymere gewonnen werden.
Auch die gesundheitliche Belastung ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren als äußerst gering anzusehen, besonders im Vergleich zu Extraktionen mit
(halogenhaltigen) Extraktionsmitteln, die zum Teil nachgewiesener Maßen Leberschäden oder sogar Krebs hervorrufen. Auch für die Umwelt sind die Gefahren als sehr gering einzuschätzen, da als Lösungsmittel hauptsächlich
Wasser verwendet wird. Die eingesetzten Chemikalien und
Enzyme werden nur in relativ geringen Mengen eingesetzt und sind praktisch biologisch abbaubar. Für eine eventuelle
Nachextraktion eingesetzte Lösungsmittel sind relativ ungiftig und recyclebar. Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungs- beispielen näher beschrieben werden, ohne . sie darauf zu beschränken.-
1.0
Beispiel 1 :
Gewinnung von PHB aus einer Methylocystis-Biomasse
Als Rührkesselablauf wurden 6,5 Liter einer, durch 15 Separation eingedickten Suspension des PHB-Produzenten Methylocystis spec. GB 25, mit einer Biomassekonzentration von 138,5 g/1 verwendet (d.h. insgesamt 900 g Biotrockenmasse). Der PHB-Gehalt betrug zu Beginn 55,3%, bezogen auf Biotrockenmasse . Die Gewinnung der PHB erfolgte 0 in einem üblichen Doppelmantel-Reaktionsgefäß mit Rührer.
In Schritt 1 wurde der pH-Wert der Suspension von anfangs 5,1 mit Natronlauge auf 8,5 erhöht. Dazu kamen 1,8 g (0,2% bezogen auf Biotrockenmasse) nichtionisches Tesid und 4,5 g 5 (0,5%) Ethylendiamintetra-essigsäure-Natriumsalz. Schließlich wurden 90,0 g (10,0%) Natriumdithionit (mit iodometrisch gemessen 87% Dithionit-Gehalt) zugegeben und unter Rühren und SchutzatmoSphäre innerhalb einer Stunde von 20°C auf 80°C erwärmt. Nach einer halben Stunde bei 0 80°C wurde die Suspension auf 60 °C abgekühlt und warm zentrifugiert (ca. 20000xg) . Daran wurden die Feuchtmasse- Pellets in demineralisiertem Wasser resuspendiert und erneut zentrifugiert . Die auf diese Weise einmal gewaschene Feuchtmasse wurde für Schritt 2 erneut auf das 5 ursprüngliche Volumen resuspendiert.
In Schritt 2 wurde der pH-Wert kontrolliert, er lag wie gefordert bei 8,5. Die leicht alkalischen Bedingungen sind für das pH-Optimum der folgend zugesetzten Enzym-Mischung 0 Triacylglyceryl-Lipase (1,8 g bzw. 0,2%) und Pancreatin (1,8 g bzw. 0,2%) wichtig. Dazu wurde erneut 1,8 g nichtionisches Tensid zugesetzt . Die Einwirkungsdauer betrug 12 h unter Rühren und Schutzgas bei 40°C. Im Anschluß erfolgte wieder die Abtrennung der Partikel durch Zentrigugation, eine Wäsche, sowie die Resuspendierung auf das Ausgangsvolumen.
In Schritt 3 wurde der pH-Wert mittels verdünnter Schwefelsäure von mittlerweile 7,5 auf 5,0 abgesenkt und 1,8 g (0,2% auf die ursprüngliche Biotrockenmasse) Lysozym (Mureinase) zugesetzt. Die Einwirkung dauerte 4 h bei 40°C unter Rühren und Schutzatmosphäre. Im Anschluß kamen 1,8 g Papain dazu und die Suspension wurde 2 h bei 60°G belassen. Am Ende erfolgte Zentrifugation und 3 weitere Wäschen mit deionisiertem Wasser. Zur Trocknung bei Raumtemperatur wurde die feuchte Masse aus PHB in flacher Form ausgebreitet . Die so gewonnene PHB enthielt noch Verunreinigungen, v.a. freie Fettsäuren (Analyse mittels GC-MS) , welche mit einer Nachextraktion mit dem Nicht-PHB- Lösungsmittel Ethylacetat entfernt werden konnten (Schritt 4) . Es wurden bei einer Ausbeute von ca. 95%, insgesamt 472 g PHB gewonnen. Die gaschromatographische Untersuchung der Reinheit der PHB lieferte am Ende der Aufarbeitung einen Durchschnittsgehalt von 99,5%.
Diagramm 1 zeigt die Anreicherung des PHB-Gehaltes während der Aufarbeitung. Hier zeigt sich auch deutlich der Effekt des erfindungsgemäßen, chemischen Zusatzes von Dithionit .
Figure imgf000016_0001
Figure imgf000017_0001
Beispiel 2: Gewinnung von PHB aus einer Paracoccus-Biomasse
Als Rührkesselablauf wurden 15 Liter einer durch Flockung und Dekantieren eingedickten Suspension des PHB-Produzenten Paracoccus denitrificans verwendet. Die Biotrockenmasse betrug insgesamt 5848 g, d.h. es lag eine Biomassekonzentration von 390 g/1 vor. Der PHB-Gehalt betrug zu Beginn 54,0%, bezogen auf die Biotrockenmasse. Die Gewinnung der PHB erfolgte wieder im Doppelmantel- Reaktionsgefäß mit Rührer.
In Schritt 1 wurde der pH-Wert der Suspension von anfangs 4,8 mit Natronlauge auf 8,5 erhöht. Dazu kamen 11,5 g (ca. 0,2% bezogen auf Biotrockenmasse) nichtionisches Tensid und 30,0 g (0,5%) Ethylendiamintetraessigsäure-Natriumsalz. Schließlich wurden 180,0 g (3,0%) Natriumdithionit zugegeben und unter Rühren und Schutzatmosphäre innerhalb einer Stunde von 20°C auf 80°C erwärmt. Nach einer halben Stunde bei 80°C wurde die Suspension auf 60°C abgekühlt und warm zentrifugiert (ca. 20000xg) . Daran schloß sich die Resuspendierung der Feuchtmasse-Pellets in demineralisiertem Wasser und eine weitere Zentrifugation an. Die auf diese Weise einmal gewaschene Feuchtmasse wurde für Schritt 2 erneut auf das ursprüngliche Volumen resuspendiert .
In Schritt 2 wurde der pH-Wert kontrolliert und von 7,2 mit Natronlauge erneut auf 8,5 eingestellt. Wie in Beispiel 1 wurde jetzt die Enzym-Tensid-Mischung aus Triacylglyceryl- Lipase, Pancreatin und Tensid zugesetzt. Die Einwirkungsdauer betrug 12 h unter Rühren und Schutzgas bei 40°C. Im Anschluß erfolgte wieder die Abtrennung der Partikel durch Zentrigugation, eine Wäsche, sowie die Resuspendierung auf das Ausgangsvolumen.
In Schritt 3 wurde der pH- ert mittels verdünnter Schwefelsäure auf 5,5 abgesenkt und Lysozym zugesetzt. Die Einwirkung dauerte 4 h bei 40°C unter Rühren und Schutzatmosphäre. Im Anschluß kamen Papain dazu und die Suspension wurde 2 h bei 60°C belassen. Am Ende erfolgten wie in Beispiel 1 Zentrifugation und 3 Wäschen mit deionisiertem Wasser. Die erhaltene PHB-Masse wurde flach ausgebreitet und bei Raumtemperatur getrocknet . Wie in Beispiel 1 enthielt die PHB wieder Verunreinigungen wie freie Fettsäuren und Indolverbindungen (GC-MS-Analyse) , welche mittels Nachextraktion mit Ethylacetat entfernt wurden (Schritt 4) . Es wurden bei einer Ausbeute von ca. 85%, insgesamt 2653 g PHB gewonnen.
Diagramm 2 zeigt die Anreicherung des PHB-Gehaltes während der Aufarbeitung. Auch hier zeigt sich der Effekt des erfindungsgemäßen, chemischen Zusatzes von Dithionit.
Figure imgf000018_0001
Vergleichsbeispiel 3
Aus üblicherweise zur Verfügung stehenden PHA-Produzenten mit einem durchschnittlichen PHB-Gehalt von 45% konnte zum Beispiel durch alleinige Oxidation mittels Wasserstoffperoxid im Alkalischen in Anlehnung an DE 694 07 177 T2 nur eine 80%-ige Roh-PHB erhalten werden.
Auch eine alleinige stufenweise enzymatische Behandlung mit drei proteolytischen Enzymen (Papain, Pepsin, Bromelain) , Tensiden und Chelatbildnern, sowie einer sich anschließenden Behandlung mit einer Mureinase erbrachte nur einen maximalen PHB-Gehalt von 88%.
Beispiel 4: Auswäsche von NPCM (non-PHA-cell-matter) und Erhöhung des PHB-Gehaltes einer etAylocystis-Biomasse mit relativ geringem PHB-Gehalt durch erfindungsgemäße Reduktionsmittel
Als Biomasse wurde eine, durch Zentrifugation eingedickte, mit demineralisiertem Wasser gewaschene, erneut eingedickte und anschließend gefriergetrocknete Suspension des PHB- Produzenten Methylocystis spec. GB 25 verwendet. Die PHB- Bildung erfolgte in den Zellen unter Sulfat- Mangelbedingungen; der PHB-Gehalt betrug zu Beginn 34%, bezogen auf Biotrockenmasse .
In 5 Versuchen wurden jeweils 30,00 g dieser Biomasse in 150 ml demineralisiertem Wasser resuspendiert und der pH- Wert der Suspension von anfangs 4,5 mit Natronlauge auf 8,5 erhöht. Der erste Biomasse-Ansatz (RED 0) wurde daraufhin unter Stickstoffatmosphäre gesetzt und anschließend auf 85°C für eine Stunde lang erwärmt. Nach der Wärmebehandlung wurde die Biomasse aus der Suspension 30 Minuten lang bei ca. 20000xg abzentrifugiert, in ^demineralisiertem Wasser erneut resuspendiert, wieder abzentrifugiert, d.h. einmal gewaschen, und das Biomassepellet schließlich im schulterlosen Zentrifugenbecher bei -17°C eingefroren. Zum zweiten Versuch (RED 1) wurden zur Biomasse-Suspension zusätzlich 2,45g Natriumdithionit-Salz (12,375% Dithionit pro NPCM; mit iodometrisch gemessenen 87% Dithionit-Gehalt) vor dem Erwärmen in Stickstoffatmosphäre zugegeben und alle folgenden Schritte wie oben durchgeführt .
Bei den weiteren Versuchen wurden zum Dithionit äquimolare Mengen (des wirksamen Prinzips) an Natriumdisulfit, phosphoriger Säure bzw. Hydroxylammoniumchlorid gegeben.
Die gefrorenen Biomasse-Pellets der Versuche wurden jeweils in einem Stück aus den Zentrifugenbechern entnommen, gefriergetrocknet und auf Auswäsche des NPCM bzw. auf PHB- Gehalt untersucht .
Figure imgf000020_0001
Die Tabelle verdeutlicht den Vorteil des erfindungsgemäßen Einsatzes von Reduktionsmitteln. Diagramm 1:
Beispiel 1
Figure imgf000021_0001
Aufarbeitungsschritte
Diagramm 2:
Beispiel 2
Figure imgf000021_0002
1 2 3
Aufarbeitungsschritte

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur enzymatischen Gewinnung von Homo- oder Copolymeren von Polyhydroxyalkanoaten (PHA) aus Biomasse, dadurch gekennzeichnet, dass die Biomasse vor und/oder nach dem enzymatischen Aufschluss mindestens einmal mit einem Reduktionsmittel behandelt wird, welches die Nicht-PHA-Zellanteile der Biomasse vermindert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Reduktionsmittel ein Dithionit-Salz, ein Disulfit- Salz, phosphorige Säure und/oder eine Hydroxylammonium- Verbindung eingesetzt wird, vorzugsweise Dithionit.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass bei einem pH-Wert von 7 bis 10 und einer Temperatur von 20 bis 110°C gearbeitet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die aufzuschließende Biomasse zur vermehrten Bildung von Agglomeraten vorbehandelt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung von Agglomeraten der pH-Wert der Biomasse in den sauren Bereich verschoben wird, vorzugsweise auf pH-Werte von 1 bis 6,5.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur Entfernung von Restverunreinigungen die gewonnene PHA mit Nicht-PHA-Lösungsmitteln, vorzugsweise Wasser, Alkohole, Ketone, Ester, Alkane oder deren Gemische nachextrahiert wird und/oder dass die PHA mit PHA- ösungsmitteln umgefällt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die chemische und enzymatische Behandlung und ggf . die Vorbehandlung in einem Reaktionsgefäß erfolgen.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass
Biomasse mit einem PHA-Gehalt < 60 Gew% eingesetzt wird.
9. Verwendung von Reduktionsmitteln zur Verminderung der Nicht-PHA-Zellanteile (NPCM) bei der enzymatischen Gewinnnung von Homo- oder Copolymeren von Polyhydroxyalkanoaten (PHA) aus Biomasse, bevorzugt aus Biomasse, welche einen relativ geringen PHA-Gehalt von <60%, aufweist.
10.Verwendung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Dithionit-Salz, ein Disulfit-Salz, phosphorige Säure und/oder eine Hydroxylammonium-Verbindung als Reduktionsmittel eingesetzt werden.
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