Vielversprechende Glykolipid-Biotenside

Zibek untersucht am Fraunhofer IGB Vertreter von Glykolipid-Biotensiden, die aus einem Zucker als hydrophiler Kopfgruppe und einem (oder mehreren) Fettsäureester als hydrophobem Rest bestehen: Cellobioselipide (CL) und Mannosylerythritollipide (MEL). Sie werden von Mikroorganismen aus der Familie der Brandpilzverwandten (Ustilaginaceae), wie zum Beispiel Ustilago- oder Moesziomyces-Spezies, in größeren Mengen gebildet.

»Für die Herstellung können wir erneuerbare Substrate wie Zucker oder regional verfügbare Pflanzenöle einsetzen«, so die technische Biologin und Ingenieurin. Neben den für alle Tenside typischen, die Oberflächenspannung von Wasser reduzierenden Eigenschaften, zeichnen sich einige mikrobielle Glykolipide auch durch antibakterielle, antimykotische und antivirale Eigenschaften aus, was sie für einen Einsatz in Kosmetik oder Pflanzenschutz prädestiniert.

Optimierte biotechnologische Herstellung aus heimischen Roh- und Reststoffen

Zur Herstellung der mikrobiellen Glykolipide werden die Mikroorganismen in Bioreaktoren kultiviert und mit Zucker und Pflanzenöl als Substrate gefüttert. »Entscheidend für ein optimales Wachstum der Mikroorganismen und eine effiziente Produktbildung sind definierte und konstante Bedingungen im Bioreaktor. Daher müssen pH-Wert, Temperatur und Sauerstoffgehalt sowie die Konzentration von Nährstoffen und Substrat am besten kontinuierlich gemessen und geregelt werden«, erklärt Zibek.

In zahlreichen nationalen und internationalen Forschungsprojekten sowie verschiedenen Doktorarbeiten in Kooperation mit dem Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie (IGVP) der Universität Stuttgart ist es Zibek und ihrem Team gelungen, die am besten geeigneten Produktionsstämme zu charakterisieren sowie die gesamte Prozessführung zu optimieren und damit stabile Fermentationsverfahren zu etablieren. Die Wirtschaftlichkeit und Reproduzierbarkeit des Herstellungsverfahrens konnten die Forschenden verbessern, indem sie beispielsweise ein teures und chargenabhängiges Komplexmedium durch ein neu definiertes Mineralsalzmedium ersetzten.

Weiteres Potenzial liegt in der Verwendung kostengünstiger Substrate, etwa aus heimischen Rohstoffen oder biogenen Reststoffen. »Wir können unsere Glykolipide mit Zuckern aus Stroh- und Holz-Reststoffen sowie mit heimischem Rapsöl oder Insektenfett aus der Insekten-Bioraffinerie, in der Fliegenlarven organische Abfälle in Fett und Proteine umwandeln, herstellen«, sagt Zibek. Parallel untersuchte die Ingenieurin verschiedene Verfahren zur effizienten Abtrennung und Aufreinigung der Biotenside und kombinierte sie miteinander, um Biotenside in hochreiner Form (> 95 Prozent) zu produzieren.

Biotensid-Muster für Testformulierungen und Anwendungstests

Mit verbesserten Ausbeuten und einem robusten und skalierbaren Fermentationsprozess kann das Team nun Glykolipid-Biotenside mit definierter Zusammensetzung und entsprechenden Eigenschaftsprofilen in Reaktoren bis 75 Liter Nennvolumen herstellen. Ein Scale-up auf den 300-Liter-Maßstab ist in Planung. »Durch Variation des Produzentenstamms können wir zudem verschiedene Strukturvarianten der MEL- und CL-Biotenside herstellen«, erläutert Zibek. Aktuell erreicht das Team Produktkonzentrationen von über 20 Gramm pro Liter für CL und bis zu 50 Gramm pro Liter für MEL. »Zusätzlich können wir die Glykolipide je nach Anforderung chemisch oder enzymatisch modifizieren, etwa um Wasserlöslichkeit oder Emulgierfähigkeit zu variieren und unterstützen bei der Formulierung«, so Zibek.

Damit öffnet das Fraunhofer IGB die Tür für Industriepartner, die Biotenside für ihre spezifischen Anwendungen testen wollen – ob in Waschmittel, Haushaltsreiniger, als Zusatz in Körperpflege- und Kosmetikprodukten oder in Spezialanwendungen.

Strategische Allianz aus Forschung und Industrie

Mit dem Projekt »Innovationsallianz Funktionsoptimierte Biotenside« initiierte die Bioingenieurin eine Allianz, in der neben Partnern aus der Forschung auch Firmen aus der Prozesstechnik und Chemieindustrie beteiligt waren. Ziel des Konsortiums war es, die ganze Wertschöpfungskette von Biotensiden zu untersuchen: von der Eignung heimischer nachwachsender Roh- und Reststoffe als Substrate, über Mess- und Regeltechnik zur Optimierung des Fermentationsprozesses bis zur Untersuchung der Eigenschaften und Anwendungsprofile sowie einer Ökobilanzierung der Biotenside. Das Projekt wurde in zwei Phasen vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) gefördert (www.allianz-biotenside.de).

Abschlusskonferenz der Allianz Biotenside im Februar 2026

Am 4. Februar 2026 lädt das Fraunhofer IGB zur Abschlusskonferenz der namhaften Allianz-Partner nach Stuttgart ein. Diese präsentieren hier erstmals ihre Ergebnisse aus sieben Jahren Forschung und zeigen auf, wie sich Biotenside aus verschiedenen Rohstoffen mit robusten, regel- und steuerbaren Fermentations- und Aufarbeitungsverfahren skalierbar herstellen lassen. Anwender stellen ausgewählte Use-Cases vor – mit Einblicken in Formulierbarkeit, Leistungsprofile und Nachhaltigkeitsaspekte.