Polymilchsäure (PLA): Ausbeute der Milchsäurefermentation fördern

Moderne Kunststoffe haben in praktisch jeder Industriebranche bedeutende Fortschritte in den Bereichen Sicherheit, Effizienz und Produktleistung ermöglicht. Allerdings haben ihre Langlebigkeit, Beständigkeit gegen Zersetzung und die niedrigen Produktionskosten auch zu bedeutenden Umweltbelastungen geführt. Die Umweltverschmutzung durch Plastikmüll ist zu einem weltweiten Problem geworden, wobei sich im Vergleich zum Jahr 2000 die jährliche Produktion und Abfälle bis 2019 weltweit verdoppelt haben.

Heute werden pro Jahr rund 400 Mio. Tonnen an Kunststoffen produziert und laut Prognosen wird sich diese Menge bis 2060 verdreifachen. Nur 9 % aller jemals hergestellten Kunststoffe wurden recycelt; der Rest wurde verbrannt, auf Deponien entsorgt oder in die Umwelt abgegeben.

Marine Ökosysteme sind besonders betroffen, da unsachgemäß entsorgter Plastikmüll schnell in Flüsse, Küstengewässer und das offene Meer gelangt. Jedes Jahr enden rund 11 Mio. Tonnen Plastik in den Ozeanen. Anders ausgedrückt entspricht dies etwa 2.000 Müllwagen voller Plastik, die wir pro Tag in die Ozeane, Flüsse und Seen der Welt kippen (UNEP, 2025). Prognosen warnen davor, dass es bis 2050 gewichtsmäßig mehr Plastik als Fische im Meer geben könnte.

Biobasierte Polymere, wie Polymilchsäure (PLA), stellen dagegen eine überzeugende und skalierbare Alternative für nachhaltigere Materialsysteme dar. PLA ist ein biobasiertes, biologisch abbaubares Polymer, das aus Milchsäure hergestellt wird, die aus der Fermentation von stärke- oder zuckerhaltigen Rohstoffen gewonnen wird. Dieses Material bieten mechanische Festigkeit, Transparenz und vielseitige Verarbeitungsmöglichkeiten. Es findet breite Anwendung in der Verpackungs-, Textil- und Konsumgüterindustrie, sowie im 3D-Druck und in PLA-Filamenten. Da die Industrie Kunststoffe auf Mineralölbasis zunehmend durch erneuerbare Alternativen ersetzt, ist PLA zu einem der strategisch bedeutendsten Biopolymere in der heutigen globalen Nachhaltigkeitslandschaft geworden.

Laut European Bioplastics 2025 Market Data Report wird erwartet, dass die Produktionskapazität von biobasierten Kunststoffen, vorangetrieben durch den steigenden Bedarf und kontinuierliche Materialinnovationen, von 2,31 Mio. Tonnen im Jahr 2025 auf 4,69 Mio. im Jahr 2030 steigen wird. Biobasierte Kunststoffe machen derzeit nur 0,5 % der jährlich weltweit produzierten 431 Mio. Tonnen Kunststoff aus.

In der Europäischen Union hat die Europäische Kommission einen EU-Richtlinienrahmen zu biobasierten, biologisch abbaubaren und kompostierbaren Kunststoffen erlassen, der die Anforderungen an Beschaffung, Kennzeichnung und Anwendung über verschiedene Sektoren, wie Verpackung, Konsumgüter und Textilien, hinweg definiert .

In den USA fördern Initiativen auf Bundesebene, wie das USDA BioPreferred Program und das EPA Sustainable Materials Management, die Annahme und verantwortungsvolle Nutzung von biobasierten Materialien, inklusive PLA. Ähnlich fördert in Japan das Ministry of the Environment die Verwendung von Biokunststoffen, wie z. B. PLA, im Rahmen von nationalen Strategien, um die Abhängigkeit von konventionellen Kunststoffen zu reduzieren.

Auf globaler Ebene stufen das Umweltprogramm der Vereinten Nationen und verwandte internationale Organisationen biologisch abbaubare Polymere, wie PLA, als entscheidende Materialien bei den weltweiten Bemühungen zur Reduzierung der Umweltverschmutzung durch Plastikmüll ein. Der Statistikrahmen für Kunststoffe des Umweltprogramms der Vereinten Nationen (UNEP) hebt die Bedeutung von biologisch abbaubaren und biobasierten Alternativen für eine bessere Kreislaufwirtschaft und ein verantwortungsvolles Materialmanagement hervor.

Die Herstellung von PLA umfasst mehrere strikt geregelte Stufen:

1. Fermentation: Kohlenhydratreiche Rohstoffe, wie z. B. Zuckerrohr, Mais oder Reststoffe aus der Landwirtschaft, werden mithilfe von Mikroorganismen fermentiert, um Milchsäure zu erhalten. Reinheit und Konzentration der Milchsäure wirken sich direkt auf Polymerqualität und Prozessstabilität aus
2. Reinigung: Die Fermentationsbrühe wird mittels Filtration, Ionentausch und Verdampfung gereinigt, um Wasser und Unreinheiten zu entfernen. Selbst Verunreinigungen im Spurenbereich können die Leistung des Downstream-Katalysators beeinträchtigen
3. Lactidsynthese: Die gereinigte Milchsäure wird in niedermolekulare Prepolymere und Lactid umgewandelt. Damit die gewünschte Kristallinität und die mechanischen Eigenschaften erreicht werden, ist eine hohe optische Reinheit erforderlich
4. Polymerisation: Lactid wird durch Ringöffnungspolymerisation zu PLA polymerisiert, wodurch Molekulargewicht und Polymerstruktur für Anwendungen wie Verpackungen, Fasern und 3D-Druck gesteuert werden können
5. Prozessstabilität: Kommt es in der Produktionskette zu Schwankungen in pH-Wert, Temperatur, Reinheit oder Zusammensetzung, kann sich die Effizienz verringern und der Energiebedarf steigen. Gleichbleibende Betriebsbedingungen sind für die PLA-Herstellung im industriellen Maßstab entscheidend

Prozessschwankungen in der Milchsäurefermentation beeinflussen die Leistung auf eine Weise, die nicht immer sofort ersichtlich ist. Selbst innerhalb optimaler Betriebsbereiche können geringfügige Änderungen in den Bedingungen Einfluss darauf haben, wie effizient Zucker zu Milchsäure verarbeitet wird.

Kommt es in dieser Stufe zu einer verringerten Umwandlung, dann verändern sich dadurch die Milchsäurekonzentration und die Gesamtzusammensetzung der Fermentationsbrühe. Das führt zu einer höheren Last für die Downstream-Reinigung, was wiederum die Effizienz der Polymerisation beeinträchtigen kann. Das Ergebnis sind inkonsistente Ausbeute, Durchsatz und Endqualität der Polymilchsäure.

Diese Auswirkungen rühren aus der Interaktion mehrerer Prozessparameter her, wie z. B. pH, Temperatur und Substratverfügbarkeit. Wenn sich die Prozessparameter verändern, entfernt sich der Prozess nach und nach von den optimalen Bedingungen.

Ohne zuverlässige Einblicke in diese Variablen können Bediener Abweichungen nicht dort korrigieren, wo sie entstehen. Dadurch kann es im gesamten Prozess zu Ineffizienzen kommen, was sich letztendlich auf die Gesamtproduktionsleistung auswirkt.

• Abnehmende Milchsäurekonzentration bei der Ernte: weist auf eine unvollständige Zuckerumwandlung hin, wodurch sich die Ausbeute verringert und die Produktionskosten steigen
• Erhöhte Bildung von unerwünschten Nebenprodukten: senkt die effektive Milchsäureausbeute und erhöht Reingungskomplexität, Energieverbrauch und Chemikalienverbrauch
• Langsamere Fermentationszyklen und längere Chargenzeiten: reduzieren die Reaktorproduktivität und schränkt den Gesamtdurchsatz der Anlage ein
• Schwierigkeit, das angestrebte pH-Profil beizubehalten: unterbricht den mikrobiellen Stoffwechsel, was zu schwankender Produktivität und uneinheitlicher Qualität der Chargen führt
• Sauerstoffeinträge oder inkonsistente anaerobische Bedingungen: verändern Fermentationsprozesse, was die Bildung von Nebenprodukten erhöht und die stereochemische Konsistenz von PLA beeinflusst
• Nicht optimierter Zufuhrplan: führt zu inkonsistenten Ausbeuten und verlorenen Chargen

Frühe Anzeichen für Abweichungen im Bioprozess sind für die Bediener oftmals nicht sichtbar und werden nur selten durch ein einzelnes Prozessattribut verursacht. Sie spiegeln vielmehr komplexe biologische Prozesse wider, die sich mit der Zeit verändern und interagieren.

• pH-Instabilität wirkt sich auf mikrobiellen Stoffwechsel und Milchsäureproduktivität aus: Selbst geringe pH-Abweichungen verändern die enzymatische Aktivität und verringern die Effizienz der Zucker-Milchsäure-Umwandlung
• Temperaturschwankungen verändern die Reaktionskinetik und verursachen eine langsame Fermentation: Instabile thermische Bedingungen wirken sich auf mikrobielle Wachstumsraten aus und verlängern die Fermentationszeit
• Eine nicht optimierte Zufuhr führt zu Schwankungen und verlorenen Chargen: Schwankungen in der Zufuhr der Rohstoffe verhindern eine gleichmäßige Stoffwechselaktivität und führen zu Unterschieden zwischen den Chargen
• Sauerstoffeinwirkung unterbricht anaerobe Fermentationsprozesse: Sauerstoffeintrag verändert das Fermentationsverhalten und erhöht die Bildung von Nebenprodukten
• Schaumbildung reduziert das tatsächliche Reaktorvolumen: Übermäßige Schaumbildung schränkt das für die Fermentation nutzbare Volumen ein und beeinträchtigt den Stofftransport
• Unzureichende Echtzeit-Einblicke in die Milchsäurebildung: Abhängigkeit von indirekten Indikatoren oder verzögerten Laboranalysen kann die frühzeitige Erkennung von Abweichungen verhindern, was zu Ausbeute- und Qualitätsverlusten führt, bevor Behebungsmaßnahmen ergriffen werden

In ihrer Gesamtheit machen diese Faktoren deutlich, dass die Fermentationsleistung von einer kleinen Anzahl eng miteinander verknüpfter Variablen abhängt. Die Beibehaltung der Stabilität erfordert eine kontinuierliche Überwachung und präzise Regelung dieser Parameter. Die Definition der richtigen Messstellen ist daher für eine effektive Qualitätskontrolle des PLA-Prozesses unerlässlich, um eine gleichbleibende Leistung und eine effiziente Produktion im großtechnischen Maßstab sicherzustellen.

Eine effiziente PLA-Produktion hängt von der genauen Überwachung und Regelung wesentlicher Variablen während der Fermentation und Downstream-Vorbereitung ab. Die Milchsäurefermentation reagiert sehr sensibel auf biologische und thermische Schwankungen, weshalb Messungen für die Aufrechterhaltung stabiler Betriebsbedingungen entscheidend sind. Die nachfolgenden Messstellen sind von kritischer Bedeutung für die Erreichung einer effektiven Qualitätskontrolle des PLA-Prozesses und zur Sicherstellung einer konsistenten Leistung in der gesamten Produktionskette.

• Die Durchflussmessung bei der Zufuhr von Zucker, Nährstoffen und Puffern stabilisiert die Substratverfügbarkeit und verhindert Über- oder Unterversorgung, die den mikrobiellen Stoffwechsel stören könnte
• Die Dichte- oder Konzentrationsüberwachung der Zufuhrströme hilft bei der Erkennung von Schwankungen in der Rohstoffqualität und unterstützt die Regelung der Substratkonzentration
• Die Überwachung der Rohstofftemperatur stellt sicher, dass die Substrate bei Eintritt in den Bioreaktor eine Temperatur innerhalb des geeigneten Bereichs aufweisen, um metabolischen Stress zu vermeiden

• Die pH-Messung ist von entscheidender Bedeutung, um eine optimale mikrobielle Aktivität aufrechtzuerhalten und die Milchsäureproduktivität in der gesamten Charge zu schützen
• Die Temperaturüberwachung stabilisiert die Fermentationskinetik und verhindert durch thermische Schwankungen verursachte Ausbeuteverluste
• Die Messung von Trübung oder Biomasse liefert, in Verbindung mit den Daten aus der Überwachung der Milchsäurekonzentration, Einblicke in mikrobielle Wachstumsmuster sowie frühzeitige Hinweise auf eine abnehmende Fermentationsleistung
• Die Drucküberwachung unterstützt eine geregelte CO₂-Freisetzung und macht auf Gasansammlungen oder Beschränkungen in den Abgaswegen aufmerksam
• Die CO₂-Überwachung ist zwar optional, liefert allerdings Einblicke in die Stoffwechselaktivität und den Fermentationsfortschritt
• Die Nährstoff- und Metabolitüberwachung ist von entscheidender Bedeutung, um die angestrebte Prozessausbeute konsistent in jeder Charge zu erreichen

• Die Leitfähigkeitsmessung erkennt Restsalze oder ionische Verunreinigungen, die die Leistung der Downstream-Reinigung beeinflussen
• Die chemische Zusammensetzung der Brühe gibt Auskunft über die Zusammensetzung der Schüttgüter und Hauptverunreinigungen
• Die Durchflussmessung stabilisiert die Transferbedingungen und unterstützt eine konsistente Zufuhr zu den Reinigungsanlagen

• Die Temperaturmessung während der Lactidbildung und Polymerisation sorgt für eine stabile Reaktionskinetik und verhindert eine unkontrollierte Umesterung oder Zersetzung
• Die Vakuumüberwachung und -regelung stellt die effiziente Entfernung von Wasser und Komponenten mit niedrigem Siedepunkt sicher
• Die Messung des Zielmoleküls liefert Echtzeit-Informationen über Zusammensetzung und Attribute der Molekularstruktur

Eine zuverlässige Messung macht den Unterschied zwischen einem Fermentationsprozess, der auf Probleme reagiert, und einem, der eine gleichbleibend hohe Ausbeute liefert. Wenn wichtige Prozessvariablen präzise und kontinuierlich gemessen werden, haben Bediener die Möglichkeit, die Milchsäurefermentation innerhalb ihres optimalen Betriebsbereichs zu halten. Das verhindert, dass sich geringfügige Abweichungen summieren und schützt Ausbeute, Chargendauer und Downstream-Leistung im gesamten PLA-Produktionsprozess.

• Niedrigere Produktionskosten pro Kilogramm dank einer verringerten Bildung von Nebenprodukten, weniger Abfallerzeugung und besserer Ressourceneffizienz
• Geringerer Verbrauch an Chemikalien, inklusive Neutralisationsmitteln, Puffern und Nährstoffen dank strikterer pH-Regelung
• Weniger ungeplante Stillstandszeiten und Chargenausfälle dank frühzeitiger Erkennung von Abweichungen und verbesserter anaerober Regelung
• Weniger Downstream-Bearbeitungsaufwand, da eine konsistente Zusammensetzung der Brühe die Filterbelastung und Reinigungsintensität verringert
• Bessere betriebliche Effizienz mit kürzeren Zykluszeiten, höherer Anlagennutzung und geregelten Chargendauern
• Verringertes Sicherheits- und Konformitätsrisiko durch bessere Einblicke in Sauerstoffeinträge, CO₂-Freisetzung und Druckverhalten, was Ziele hinsichtlich PLA-Recycling und Kreislaufwirtschaft unterstützt

Die nachfolgenden Fragen gehen darauf ein, wie Abweichungen im Upstream-Prozess, Messstrategien und betriebliche Entscheidungen die Lactidsynthese, Polymerisationsleistung und die Prozessstabilität insgesamt beeinflussen. Zusammen zeigen sie die entscheidenden Faktoren für die PLA-Produktion im industriellen Maßstab auf.