Lignocellulosehaltige Rohstoffe wie Stroh sind als forst- und landwirtschaftliche Reststoffe in ausreichender Menge verfügbar. Nach Einsatz von physikalischen, chemischen und enzymatischen Aufschlussmethoden können Zucker und Lignine erhalten werden, wobei zusätzlich oft mikrobiell toxische Nebenprodukte entstehen. Es wurde festgestellt, dass der isolierte Lactobacillus brevis Stamm IGB1.29 eine hohe Toleranz gegenüber phenolischen Abbauprodukten aufweist und die in den Lignocellulose enthaltenen C5- und C6-Zucker Xylose und Glukose parallel zu Milch- und Essigsäure umsetzt.

Lignocelluloseaufschluss und -verwertung, eine Herausforderung
Als Ersatz für Erdöl sollen nachwachsende Rohstoffe verwendet werden. Lignocellulose aus forst- und landwirtschaftlichen Reststoffen stellt dabei eine alternative Kohlenstoffquelle zu den bisher vielfach untersuchten Lebensmittelrohstoffen Stärke aus Mais, Getreide und Kartoffeln oder Zucker aus Zuckerrüben und Zuckerrohr dar [1]. Lignocellulose in z. B. Weizenstroh ist ein komplexer Verbund aus 35-40 % Cellulose (Glukosepolymer, C6-Zucker), 30-38 % Hemicellulose (Polymer aus hauptsächlich Xylose und Anteilen Arabinose, C5-Zucker) und 14-17 % Lignin (phenolisches Makromolekül) [2]. Auf Grund der komplexen Struktur von Lignocellulose ist zum Aufschluss eine Kombination von physikalischen, chemischen und enzymatischen Behandlungsmethoden notwendig (siehe Abb.1). Eine Vorbehandlung erfolgt oft mit hohem Temperatur-, Säure-, Alkali- oder Lösemitteleinsatz bzw. deren Kombinationen. Dabei entstehen eine Faserfraktion und ein wässriger Reaktionsüberstand. Die Faserfraktion enthält größtenteils Cellulose, jedoch auch Anteile an Hemicellulose und Lignin. Durch enzymatischen Einsatz kann das Cellulosepolymer in menomere Zucker zerlegt werden. Der wässrige Reaktionsüberstand beinhaltet in der Regel lösliche Hemicellulose, Lignin und geringe Mengen löslicher Cellulose sowie Zucker-Abbauprodukte und phenolische Komponenten aus Lignin. Ein großer Anteil des Lignins kann durch Abtrennung des Lösemittels ausgefällt werden. Das verbleibende Hemicellulosepolymer kann durch Enzyme gespalten und der monomere Zucker für eine mikrobielle fermentative Umsetzung gewonnen werden.

Die im Ansatz verbleibenden Zucker-Abbauprodukte und auch die phenolischen Komponenten sind als für Mikroorganismen toxische Substanzen beschrieben [3,4].

Auf Grund der jeweiligen Restgehalte an C5-Zuckern in der Faserfraktion und C6-Zuckern im wässrigen Reaktionsüberstand ist es im Rahmen unserer Arbeiten von großer Bedeutung, Mikroorganismen zu identifizieren, die möglichst parallel beide Zuckerformen verwerten können. Da bei der Aufbereitung von Lignocellulose oft für Mikroorganismen toxische Lignocellulose-Abbauprodukte entstehen, stellt dies eine zusätzliche Anforderung an die zu isolierenden Mikroorganismen dar. Darüber hinaus ist eine vollständige stoffliche Nutzung mit hohen Produktausbeuten und -raten zur Herstellung von Milch- und Essigsäure anzustreben.

Milch- und Essigsäure für die Polymerindustrie

Essigsäure kann in Form von Vinylacetat in das Polymer Polyvinylacetat (PVAC) eingebunden werden. PVAC wird als Bindemittel in Farben, Lacken und auch Klebstoffen eingesetzt. Darüber hinaus findet es Anwendung in der Papier- und Textilindustrie. Milchsäure wird zur Polymerform Polylactide (PLA) verknüpft. Polylactide ist ein biodegradierbares Polymer mit steigender Nachfrage, das vielseitige Anwendungen findet: Abfalltüten, Einmalgeschirr, Mulchfolien, die nach Gebrauch im Acker untergepflügt werden können, selbstauflösendes Nahtmaterial in der Medizin.

Sowohl Essig- als auch Milchsäure können chemisch oder fermentativ mit Mikroorganismen hergestellt werden und stellen eine Herausforderung in der Aufarbeitung dar. Beispielsweise ist für eine destillative Aufarbeitung die freie protonierte Form der Säure notwendig [5]. Dieser Anteil wird höher, je weiter der pH-Wert unter dem jeweiligen pK_S-Wert der Säure liegt. Der pK_S-Wert beschreibt den pH-Wert bei dem 50 % der Säure protoniert und 50 % deprotoniert vorliegen. Für Essigsäure liegt der pK_S-Wert bei 4,75 und für Milchsäure bei 3,9.

Um möglichst hohe Anteile der freien Säure zu erhalten gibt es die Möglichkeit der nachträglichen Ansäuerung nach dem Fermentationsprozess, wobei ein zusätzlicher Prozessschritt zusätzliche Kosten verursacht, bei dem außerdem größere Mengen an Abfallstoffen (z. B. Calciumsulfat) anfallen [6].
Eine andere Vorgehensweise ist die Prozessführung bei niedrigem pH-Wert, die wir im Rahmen unserer Arbeiten verfolgt haben. Hierbei stellt die Inhibition der Mikroorganismen in Wachstum und Produktion durch die protonierte Form der Säuren eine weitere große Herausforderung an den Produktionsstamm dar [7].