POET - Entwicklung eines effizienten biotechnologischen Herstellungsverfahrens des nachhaltigen Chromophors Xylindein mit multifunktionellem Einsatz in der Veredlungstechnologie

Pilze und pilzbasierte Produkte besitzen ein großes Potential für die Entwicklung einer ressourcenschonenden und nachhaltigen Wirtschaft. So können neben Enzymen, Aromen und Pharmazeutika auch natürliche Farbstoffe biotechnologisch aus Pilzmyzel gewonnen werden. Bereits seit Jahrhunderten werden Pilzfruchtkörper zum Färben eingesetzt, mit intensiven Färbeergebnissen, denn zahlreiche Pilze besitzen die Fähigkeit zur Farbstoffbildung. So findet man intensive grün gefärbte Hölzer z.B. durch die natürliche Besiedelung mit dem Grünspanbecherling (Chlorociboria aeruginascens). Dieser Pilz produziert Xylindein, einen komplexen, blaugrünen Farbstoff der Gruppe der Naphthochinone mit bioaktiven Wirkungen. Für das Kunsthandwerk insbesondere Intarsienarbeiten wurde das Holz früher gesammelt (Abb. 1), es zeigt eine sehr gute Farbstabilität. Extraktionen des Farbstoffes aus dem Holz oder den winzigen Fruchtkörpern sind aber wirtschaftlich nicht sinnvoll.

POET_Faerbung von Holz — Abbildung 1: Blaugrüne Färbung von Holz (Foto: A. Werner)

POET_Strukturformel von Xylindein — Abbildung 2 Struktur von Xylindein

Für den Farbstoff gibt es keinen bekannten chemischen Syntheseweg und somit kein industrielles Verfahren zur Produktion. Eine erste Alternative bieten die Fermentationen des Pilzes C. aeruginascens, dabei wird das Myzels des Pilzes im Bioreaktor kultiviert, damit das Potential zur Farbstoffbildung genutzt, welches genetisch in den Zellen des Pilzes codiert ist. Der Pilz liegt als reines Isolat vor und auch erste mikrobiologische Untersuchungen zeigen die Wachstumscharakteristik. Mit Fermentationen in Komplexmedien wurden bereits intensive Myzelfärbungen durch Xylindein erzielt (Abb. 3).

Das Projekt verfolgt zwei Ziele:

Entwicklung einer kontinuierlichen, effizienten, großskaligen und robuste Fermentationsstrategie mit guter Xylindeinbildung im Pilzmyzel
Entwicklung eines industrietauglichen Extraktionsverfahrens zur Gewinnung des Farbstoffes aus dem Mycel für die Färbung von Textilen und Holz

Für die Färbung sollen Küpenfärbeverfahren für Natur- (Baumwolle) und Synthesefasern (Polyethersulfon - PES) angewendet werden (Partner ITM). Neben den Farbstoffextrakten wird auch das gefärbte Pilzmyzel zum Färben von Textil- und Holzwerkstoffen (HFT) und zum Einsatz kommen.

POET_Bioreaktor mit Chlorociboria aeruginascens Kultur — Abbildung 3 Bioreaktor mit Chlorociboria aeruginascens Kultur (Foto M.Zschätzsch)

Auf Basis der bisherigen Erkenntnisse erfolgen versuchsplangestützte Flüssigfermentationen zur Verbesserung der Farbstoffproduktion. In Parameterstudien werden die Kultivierungsbedingungen (Temperatur, pH-Wert, Sauerstoffsättigung) und die Nährstoffzusammensetzungen (Kohlenstoff, Stickstoff, Spurenstoffe und Percusoren) untersucht. Neben dem Stickstoffmangel, der bereits identifiziert wurde, steht die Frage, ob es bereits ungefärbte Vorstufen des Farbstoffes im Mycel gibt und wie diese in Xylindein umgewandelt werden können. Alle gewonnenen Ergebnisse werden für ein Scale up bis zum Maßstab von 55 l genutzt.