Langkettige Dicarbonsäuren aus pflanzlichen Ölen

Schema der omega-Oxidation von Alkanen oder Monocarbonsäuren zu langkettigen Dicarbonsäuren mit anschließendem möglichen Abbau durch die beta-Oxidation (nach Eschenfeldt W.H. et al. 2003 und Mauersberger S. et al 1992).

Stoffwechselweg der ω-Oxidation in Candida tropicalis

Stoffwechselweg der ω-Oxidation in Candida tropicalis zur Synthese langkettiger Dicarbonsäuren aus Fettsäuren.

Langkettige Dicarbonsäuren – Zwischenprodukte für Kunststoffe

Langkettige Dicarbonsäuren (C>12) stellen interessante Zwischenprodukte für die Synthese von Kunststoffen mit neuen Eigenschaften dar. Beispielsweise werden Dicarbonsäuren bei der Herstellung von Polyamiden und Polyestern eingesetzt. Diese sind jedoch chemisch aufwändig zu synthetisieren. Alternativ können langkettige Dicarbonsäuren biotechnologisch aus dem nachwachsenden Rohstoff Rapsöl hergestellt werden. Im Rapsöl sind Fettsäuren an Glycerin gebunden. Nach Spaltung können die freien Fettsäuren beispielsweise von Hefen der Gattung Candida zu Dicarbonsäuren umgesetzt werden.

 

Synthese und Abbau von Dicarbonsäuren

Die Synthese von langkettigen Dicarbonsäuren in Mikroorganismen erfolgt über die ω-Oxidation, welcher für manche Hefen wie z. B. Candida tropicalis oder Yarrowia lipolytica beschrieben ist. Im Verlauf von drei enzymatischen Reaktionen werden hierbei Fettsäuren zu Dicarbonsäuren oxidiert. Die Mikroorganismen besitzen zudem den biochemischen Abbauweg für Mono- und Dicarbonsäuren, die so genannte β-Oxidation, welcher in natürlich vorkommenden Hefen die Akkumulation der Dicarbonsäuren verhindert.

Stamm- und Prozessentwicklung

© Fraunhofer IGB

Fermentation im 42-Liter-Reaktor.

Am Fraunhofer IGB sollen neue Fermentationsstämme für die Umwandlung von Fettsäuren in Dicarbonsäuren bereitgestellt werden, die aufgrund ihrer Apathogenität einfacher handhabbar sind als der bekannte pathogene Stamm C. tropicalis. Zur Bereitstellung neuer Produktionsstämme werden neu identifizierte Mikroorganismen zum einen als Ganzzell-Katalysatoren in einem integrierten Prozess zur Umsetzung von Fettsäuren eingesetzt, um eine möglichst hohe Dicarbonsäureausbeute zu ermöglichen.

Zum anderen werden ausgewählte Stämme gentechnisch modifiziert, um eine Dicarbonsäureakkumulation zu ermöglichen. Auch diese rekombinanten Stämme werden gegenwärtig auf ihre Eignung als Produktionsstämme hin untersucht. Des Weiteren werden die Einsatzmöglichkeiten von Pflanzenölen für die Dicarbonsäureherstellung untersucht, die nicht in Konkurrenz zur Lebensmittelindustrie stehen.

Bisherige Ergebnisse und Ausblick

42-Liter-Bioreaktor (links) für die Kultivierung von Hefestämmen (rechts) zur Produktion von langkettigen Dicarbonsäuren.

Durch die Entwicklung unterschiedlicher Fed-Batch-Verfahren mit Mikroorganismen der Gattung Candida konnten bereits Dicarbonsäurekonzentrationen von bis zu 100 g/L aus Ölsäure erreicht werden. Parallel untersuchen wir weitere Mikroorganismen zur Bereitstellung neuer sowie einfacher zu handhabender Produktionsstämme, die eine möglichst hohe Dicarbonsäureausbeute ermöglichen.

Derzeit arbeitet das Fraunhofer IGB an der gentechnischen Modifikation eines Pichia-Stammes. Durch gezielte Deaktivierung (Knock-out) von Genen des beta-Oxidationsweges soll der Abbau der gebildeten Dicarbonsäuren in diesem Stamm verhindert und durch verstärkte Aktivierung von Genen des omega-Oxidationsweges die Dicarbonsäureausbeute gesteigert werden. Dadurch soll ein mikrobiologisch unbedenklicher Produktionsstamm zur Dicarbonsäurebildung zur Verfügung gestellt werden.

Die Verfahrensentwicklung erfolgte am Beispiel von Rapsöl-Derivaten und Ölsäure, kann aller Voraussicht nach aber auf Öle übertragen werden, die nicht im Lebensmittelbereich verwendet werden. In einem zweiten Ansatz werden ausgewählte Stämme gentechnisch modifiziert, um eine Dicarbonsäuresynthese zu gewährleisten. Auch diese rekombinanten Stämme werden gegenwärtig auf ihre Eignung als Produktionsstämme untersucht.

Leistungsspektrum

Wir bieten Ihnen Fermentationen zur Bereitstellung von Mustern der 1,18-Octadecendisäure, produziert von Candida sp., an.

Darüber hinaus verfügen wir über Know-how im Bereich der Stammentwicklung und können auf Ihren Wunsch hin entsprechendes Metabolic Engineering durchführen.