Fermentative Herstellung von Carbonsäuren aus Lignocellulose-Zuckern

Das Team verfügt über ein breites bioverfahrenstechnisches Know-how zur Skalierung und Prozessintensivierung, wobei die im Labormaßstab entwickelten Verfahren hinsichtlich ihrer Übertragbarkeit in den industrierelevanten Maßstab im Vorfeld bewertet und bei der Übertragung und Skalierung iterativ optimiert werden. Hierzu zählen etwa die Anpassung von Prozessführungsstrategien (Batch, Fed-Batch, kontinuierlich) und eine integrierte Produktaufreinigung zur Reduktion von Prozessschritten oder die Wiederverwendung der Biokatalysatoren (z. B. durch Immobilisierung an Trägermaterialien).

Äpfelsäure aus Xylose – Fermentation erstmals im 1-m³-Maßstab

Aspergillus oryzae

Mikroskopische Darstellung des Pilzes Aspergillus oryzae.

Äpfelsäure wird bislang vor allem in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie eingesetzt. Sie verbessert die Haltbarkeit von Backwaren und dient als Lieferant für den sauren Geschmack von Marmeladen und Säften. Aber auch ihr Potenzial als Baustein für die Chemieindustrie ist erheblich. Zusammen mit Bernstein- und Fumarsäure gehört sie zur Gruppe der C4-Dicarbonsäuren. C4-Säuren können in 1,4-Butandiol (BDO) umgewandelt werden – eine wichtige Vorstufe zur weiteren Konversion in eine Vielzahl von Chemikalien, darunter Kunststoffe, Polymere und Harze, deren Anwendungsspektrum von Golfbällen bis hin zu Druckfarben und Reinigungsmitteln reicht.

Die fermentative Herstellung der Äpfelsäure wurde in Zusammenarbeit der Arbeitsgruppen Industrielle Biotechnologie am Fraunhofer IGB und Biotechnologische Verfahren am Fraunhofer CBP im Rahmen des Projekts KomBiChemPro entwickelt. Die Fermentation erfolgte mit dem Pilz Aspergillus oryzae, welcher nach dem GRAS-Status (engl. generally recognized as safe) der US-amerikanischen Food and Drug Administration (FDA) als unbedenklicher Lebensmittelzusatzstoff gekennzeichnet ist. Der Stamm kann neben Glucose auch den C5-Zucker Xylose verwerten, der als Hauptbestandteil der Hemicellulose aus Holzreststoffen gewonnen werden kann,

Zunächst wurde der Prozess im Labormaßstab optimiert, in Rührreaktoren etabliert und schließlich erstmals mit dem Substrat Xylose bis in den 1-m³-Maßstab erfolgreich skaliert. Die Produktaufarbeitung konnte mittels Kristallisation demonstriert werden. Damit wurden mehrere Kilogramm Äpfelsäure produziert, welche als Muster für Anwendungstests zur Verfügung stehen.

Hohe Konzentrationen an Xylonsäure durch Prozessoptimierung

Xylonsäureproduktion

Xylonsäureproduktion aus Xylose mit Gluconobacter.

Gluconsäure ist ein wichtiger Bestandteil von Nahrungsmitteln, Baumaterialien und Farben [1]. Die Säure wird aus Glucose hergestellt, deren Gewinnung aus stärke­haltigen Pflanzen kompetitiv zur Nahrungsmittelherstellung ist. Eine Alternative zur Gluconsäure stellt die Xylonsäure dar: Einerseits zeigt diese vergleichbare Eigen­schaften, andererseits kann sie aus lignocellulosehaltigen Pflanzenteilen bzw. Rest­stoffen gewonnen werden. Ziel im Rahmen des Projekts KomBiChemPro war daher die Entwicklung eines effizienten Prozesses zur Gewinnung von Xylonsäure aus Xylose.

Die fermentative Umsetzung der Xylose wird mittels Ganzzellkatalyse (Gluconobacter sp.) und lediglich Sauerstoff als zweitem Reaktant durchgeführt. Gegenüber Kon­kurrenzlösungen besitzt die Fermentation mittels Gluconobacter sp. den Vorteil der spezifischen, nachhaltigen und effizienten Umsetzung. Durch Optimierung konnte das Team der Gruppe Industrielle Biotechnologie am IGB bisher eine Xylonsäurekonzentration von über 250 g/L erreichen – bei einer Ausbeute von über 90 Prozent. Im nachfolgenden Aufreinigungs­prozess wurde Xylonsäure mit einem Reinheitsgrad von über 80 Prozent gewonnen, was für tech­nische Anwendungen ausreichend ist.

Mit einer erfolgreichen 100-Liter-Fermentation wurde die Skalierbarkeit des Prozesses am Fraunhofer CBP durch das Team um Sandra Torkler und Katja Patzsch bereits demonstriert, ein Scale-up auf 300 Liter folgt. Kleinere Mengen bieten wir bereits jetzt für anwendungsspezifische Unter­suchungen an. So kann die Xylonsäure z. B. zur Substitution von Gluconsäure als Abbindeverzögerer oder als Chelatierungs­mittel getestet werden.

Literatur

[1] Toivari, M.H., Y. Nygard, M. Penttila, L. Ruohonen, and M.G. Wiebe, Microbial D-xylonate production. Applied Microbiology and Biotechnology, 2012. 96(1): p. 1-8.

Referenzprojekte

FDCAzymes – Lignocellulose-basierte Enzyme zur Konversion von 5-Hydroxymethylfurfural zu 2,5-Furandicarbonsäure

Laufzeit: Juni 2017 - Mai 2020

2,5-Furandicarboxysäure (FDCA) ist eine biobasierte Alternative zur petrochemisch produzierten Terephtalsäure, welche zur Herstellung von PET und Polyestern für die Verpackungs- und Textilindustrie verwendet wird. Im Projekt FDCAzymes sollen maßgeschneiderte Enzyme für die Umsetzung von 5-Hydroxymethylfurfural (HMF) zu FDCA entwickelt werden, wobei das Fraunhofer CBP Rohstoffe zur Verfügung stellt (Lignocellulose-Zucker und HMF) und Partner für die Prozessentwicklung und das Scale-up ist.

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KomBiChemPro – Fein- und Plattformchemikalien aus Holz durch kombinierte chemisch-biotechnologische Prozesse

Laufzeit: November 2015 - Mai 2018

Das Verbundvorhaben KomBiChemPro hat das Ziel, verschiedene Entwicklungsarbeiten zur stofflichen Nutzung lignocellulosehaltiger Biomasse in einem integrierten Bioraffineriekonzept zusammenzuführen. Wichtigster Aspekt ist dabei die Herstellung markfähiger Produkte durch robuster Prozesse und effiziente Verfahrensführung, damit eine breite Anwendbarkeit und Konkurrenzfähigkeit gegenüber petrochemisch hergestellten Materialien und Chemikalien gewährleistet ist.

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BioQED – Quod Erat Demonstrandum: Fermentative Herstellung und Scale-up für die Produktion von 1,4-Butandiol und Itakonsäure mit dem Ziel der Kostenreduktion und verbesserten Nachhaltigkeit

Laufzeit: Januar 2014 - Dezember 2017

Im EU-Projekt Bio-QED forschen das Fraunhofer IGB und sein Institutsteil Fraunhofer CBP an fermentativen Produktionsprozessen zur Herstellung von Basischemikalien sowie an deren Scale-up. Das Institut konzentriert sich dabei insbesondere auf die Itaconsäure-Wertschöpfungskette. 2017 hat das Fraunhofer CBP zu diesem Thema einen Demonstrationsworkshop ausgerichtet, in dem Projekthighlights und -ergebnisse vorgestellt wurden.

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Integrierte BioProduktion – Integrierte chemisch-biotechnologische Herstellung von Synthesebausteinen auf Basis nachwachsender Rohstoffe in einer Bioraffinerie

Laufzeit: Mai 2009 - April 2012

Das Verbundvorhaben hat zum Ziel, den Einsatz nachwachsender Rohstoffe zu steigern und langfristig chemische Produktionsprozesse für die Herstellung von Synthesebausteinen auf nachwachsende Rohstoffe umzustellen. Über eine durchgängige Entwicklung entlang der gesamten Wertschöpfungskette vom Labor- bis zum Produktionsmaßstab soll dabei eine integrierte Verbundproduktion auf der Basis nachwachsender Rohstoffe realisiert werden.

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