Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische Prozesse CBPEnzymatische Optimierung des Organosolv-Holzaufschlusses mit integrierter Enzymproduktion
Das Projekt 2GEnzymes verfolgt die Entwicklung eines integrierten Prozesses zur Produktion von Zuckern der 2. Generation (2GS) unter Verwendung von ligninolytischen Enzymen (LE) und neuartigen cellulolytischen Enzymen (CE). Die Basis dafür bildet das am Fraunhofer CBP etablierte Organosolv‑Verfahren zur Fraktionierung von lignocellulosehaltigen Materialien in Cellulose, Hemicellulose und Lignin. Dieser Prozess wird unter hohen Drücken und Temperaturen durchgeführt und erfordert eine spezielle Anlagentechnik. Aufgrund der harschen Prozessbedingungen ist der Energieaufwand ein wichtiger Kostentreiber. Nach dem Aufschluss wird die Cellulose enzymatisch weiter zu Glucose hydrolysiert.
Die innovative Idee dieses Projektes liegt in der kombinierten Anwendung von ligninolytischen und cellulolytischen Enzymen in beiden Schritten der Zuckerproduktion. Die Anwendung der LE vor und während der Holzfraktionierung verspricht eine Reduktion an Energie und Chemikalien durch die Verwendung von milderen Aufschlussbedingungen und eine Verringerung des Ligningehalts in der Cellulosefraktion. Die Hydrolyse der Cellulosefasern soll durch simultane Anwendung von CE und LE erfolgen und so zur Verringerung von inhibitorischen Effekten des Lignins auf die CE sowie zu einer erhöhten Ausbeute an fermentierbarem Zucker (Glucose) beitragen. Zudem wird eine Verringerung der Enzymkonzentration sowie eine schnellere Konversion angestrebt.
Ein weiterer Aspekt ist die Nutzung einer neuartigen Cellulase aus Penicillium verruculosum, die aktuell noch nicht am Markt erhältlich ist. Diese Cellulase weist gegenüber kommerziellen Enzympräparaten von Natur aus einen hohen Gehalt an b‑Glucosidasen und eine hohe Toleranz gegenüber CE‑Inhibitoren auf. β‑Glucosidasen spalten vor allem kleinere Oligomere wie Cellobiose effektiver, was zu höheren Zuckerausbeuten führt.
Ein Fermentationsprozess zur Gewinnung von Cellulasen aus Penicillum verruculosum wurde entwickelt und bis in den 1‑m3‑Maßstab skaliert. Damit konnte die Cellulaseproduktion in den Gesamtprozess der Zuckergewinnung aus holzstämmiger Lignocellulose integriert werden, wodurch der kostenintensive Einsatz kommerzieller Enzyme umgangen wird.
Des Weiteren ist eine gentechnische Veränderung des Produktionsorganismus vorgesehen, um die CE‑Ausbeute aus P. verruculosum zu optimieren. Abschließend soll das modifizierte Organosolv‑Verfahren zusammen mit dem entwickelten CE‑Fermentationsprozess im Pilotmaßstab demonstriert und skalierungsrelevante Daten zur Prozessbewertung generiert werden.
Der Fermentationsprozess wurde in Kooperation mit dem Sächsischen Institut für Angewandte Biotechnologie (SIAB) entwickelt. Nach erfolgreicher Etablierung der Cellulase‑Fermentation im 40‑L‑Maßstab am SIAB erfolgte die Skalierung am Fraunhofer CBP bis in den 1‑m³‑Maßstab. Hierbei stellten die sterile, batchweise Zugabe der Cellulose als Feststoff sowie deren Durchmischung die größten Herausforderungen dar. Mit Vergrößerung des Maßstabs konnte eine zum Labormaßstab vergleichbare Produktivität erzielt werden. Weiterhin konnten wir zeigen, dass die produzierte Cellulase sehr gut für die enzymatische Hydrolyse von Buchenholzcellulose geeignet ist. Darüber hinaus wurde eine höhere Zuckerausbeute von ca. 25 Prozent gegenüber kommerziell erhältlichen Cellulasen (CTec 2) nachgewiesen.
