LactiFilm – Hydrogelgestützte Co-Kultur-Biofilme aus Laktobazillen und Phytoplankton zur nachhaltigen Produktion von Milchsäure

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Regine von Klitzing; Dr. Shrikrishnan Sankaran; Professorin Dr. Marie Weinhart
• Fachliche Zuordnung: Bioverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 559396548

In LactiFilm sollen kompartimentierte Co-Kultur-Biofilme aus Photoautotrophen und produktiven Bakterien etabliert werden, die nachhaltig durch Licht und CO2 angetrieben werden, um eine industriell relevante Grundchemikalie zu erzeugen. Die Co-Kultur besteht aus Phytoplankton und Laktobazillen, deren Wachstum, Stoffwechsel und räumliche Verteilung durch eine kompartimentierte Verkapselung in mechanisch und strukturell anpassbaren Hydrogelfilmen individuell kontrolliert wird. Ziel ist die Entwicklung dieser Co-Kultur-Biofilme zur effizienten Produktion von Milchsäure, einem essenziellen Ausgangsstoff für zahlreiche Industriezweige, insbesondere aufgrund der steigenden Nachfrage nach Polymilchsäure (PLA) als biologisch abbaubarem Kunststoff. Der weltweite Bedarf an Milchsäure wird bis 2025 auf über 19 Millionen Tonnen geschätzt. Allerdings stoßen die derzeitigen Produktionsmethoden auf erhebliche Herausforderungen, wie hohe Rohstoffkosten, ein energetisch intensiver Fermentationsprozess und komplexe Aufreinigungsverfahren für die anschließende PLA-Polymerisation. LactiFilm adressiert dies durch das Design mehrschichtiger, Hydrogel-basierte Biofilme, deren Hydrogelmatrix darauf ausgelegt sind, (i) Phytoplankton als Kohlenstoffquelle nachhaltig bereitzustellen und bei Bedarf teilweise zu lysieren, (ii) das Wachstum der Laktobazillen zugunsten der Milchsäureproduktion einzuschränken und (iii) Milchsäure in einer Durchflusszelle mit minimalen Verunreinigungen freizusetzen, sodass eine direkte Polymerisation zu PLA möglich ist. Dieses Konzept wird durch die interdisziplinäre Verknüpfung von Biotechnologie und Materialwissenschaft realisiert. Auf biotechnologischer Seite umfasst dies die Identifizierung optimaler Phytoplanktonstämme, die das Wachstum der Laktobazillen unterstützen und die Produktion optisch reiner Milchsäure gewährleisten. Zudem werden Laktobazillenstämme weiterentwickelt, um die effiziente Verwertung der Phytoplanktonlysate zu maximieren. Die materialwissenschaftlichen Entwicklungen beinhalten das Design und die Synthese polymerer und mikrogelbasierter Komponenten, die zu Bakterien-beladenen Hydrogelfilmen verarbeitet werden. Darüber hinaus werden intelligente Eigenschaften, wie temperaturabhängige Veränderungen der Steifigkeit oder lichtinduzierte lokale Erwärmung, in die Hydrogele integriert, um eine bedarfsgesteuerte, partielle Lyse des Phytoplanktons zu ermöglichen. Diese mehrschichtigen Co-Kultur-Biofilme werden in einen Durchflussreaktor integriert, der eine kontinuierliche Produktion von Milchsäure ermöglicht, die mit minimalem Reinigungsaufwand zu PLA polymerisiert werden kann. Der Ansatz zielt darauf ab, sowohl die Produktivität als auch die Ausbeute der Milchsäure signifikant zu steigern, während Rohstoffkosten und Energieverbrauch reduziert werden. Die Ergebnisse von LactiFilm werden die Entwicklung skalierbarer, nachhaltiger Biofilm-basierter Produktionssysteme vorantreiben und zur weißen Biotechnologie beitragen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2494: Produktive Biofilmsysteme