Fermentative Herstellung von organischen Säuren

Leistungsangebot

Die Gruppe Industrielle Biotechnologie des Fraunhofer IGB entwickelt Prozesse zur Gewinnung von Plattformchemikalien unter Verwendung nachwachsender Rohstoffe. Im Mittelpunkt steht die Etablierung, Optimierung und Skalierung von Biokonversionsprozessen, bei welchen biogene Rohstoffe entweder durch Mikroorganismen (Bakterien-, Hefe- oder Pilzkulturen) oder Enzyme in Basischemikalien umgewandelt werden. Für die mikrobielle Produktion von Äpfelsäure und Itaconsäure beispielsweise haben sich pilzliche Systeme als besonders vorteilhaft erwiesen. Weitere Verfahren wurden für Xylonsäure und Furandicarbonsäure etabliert.

Multifermentersystem.

Leistungsspektrum im Überblick

  • Auswahl und Optimierung der Biokatalysatoren
  • Entwicklung geeigneter Fermentationsprozesse im Labormaßstab
  • Übertragung der Konversionsprozesse in den Technikums- bis m³-Maßstab.

Innerhalb der Prozessentwicklung betrachten wir alle relevanten Parameter, etwa Temperatur, pO2, OUR, CER und RQ oder die Zusammensetzung des Mediums und etablieren perfekt abgestimmte Mineralsalzmedien und Fütterungsstrategien (repeated-batch, fed-batch oder kontinuierliche Kulturführung). Auf der Grundlage einer statistischen Bewertung aller Prozessparameter überführen wir den optimalen Prozess zunächst vom Schüttelkolben in den Fermenter (Scale-over) und dann in den Technikums- und Pilotmaßstab (Scale-up). Auch die Aufreinigung der Produkte wird optimiert.

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.

Xylonsäure als Ersatz für Gluconsäure

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, der etab.

250 g/L Xylonsäure durch Optimierung

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 am Fraunhofer IGB bisher eine Xylonsäurekonzentration von über 250 g/L erreicht werden – 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.

Scale-up und Mustermengen für Anwendungsuntersuchungen

Mit einer erfolgreichen 100-Liter-Fermentation wurde die Skalierbarkeit des Prozesses am Fraunhofer CBP durch das Team Biotechnologische Verfahren 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.

Herstellung von 2,5-Furandicarbonsäure – Ganzzellkatalyse aus lignocellulosehaltiger Biomasse

FDCA

Darstellung der Sturkturhomologie von 2,5-Furandicarbonsäure (FDCA) und Terephthalsäure (PTA).

Wichtiger Synthesebaustein

2,5-Furandicarbonsäure (FDCA) und andere Dicarbonsäuren sind aufgrund ihrer Bifunktionalität wichtige Synthesebausteine. Im Falle der FDCA lediglich aus Zuckern produzierbar, basiert das vielversprechende Potenzial auf der hohen Strukturhomologie zur Terephthalsäure (PTA). Terephthalsäure wird meist zur Produktion von Polyethylenterephthalat (PET) mit einem jährlichen Marktvolumen von ungefähr 40 Millionen Tonnen verwendet (Status von 2004). In der Abbildung ist die strukturelle Ähnlichkeit von FDCA und PTA erkennbar. Der Unterschied ist die Art des Aromaten: PTA enthält einen Benzolring, während FDCA einen Phenolring als zentralen Aromaten besitzt. FDCA kann zum Polyester Polyethylenfuranoat (PEF) polymerisieren. PEF hat dieselben chemischen und physikalischen Eigenschaften wie PET. Des Weiteren lässt sich die 2,5-Furandicarbonsäure schon direkt ausgehend von Zuckern herstellen. Aufgrund dieser Eigenschaften wurde unter anderem FDCA 2004 durch das US Energieministerium als eines der 12 »top geschätzten Chemikalien aus Biomasse« eingestuft.

Herstellung

Die Herstellung von FDCA geht auf unterschiedlichen Wegen, so kann sie z. B. chemisch aus 4-Deoxy-L-Erythro-5-Hexoseulose-Uronat (DEHU) oder 4-Deoxy-L-Threo-5-Hexosulose-Uronat (DTHU) aus Alginat oder Pektin synthetisiert werden. Enzymatisch kann man FDCA beispielsweise mit zwei verschiedenen Enzymen innerhalb einer Konversion aus Hydroxymethylfurfural (HMF) herstellen. Bei der enzymatischen Herstellung kommt es allerdings zur Bildung von Wasserstoffperoxid; diese denaturiert das Enzym mit der Zeit. Das kann durch die Ganzzellkatalyse umgangen werden. Die Biotransformation erfolgt in der Regel mit Pseudomonas putida. Dieser hat eine hohe Toleranz gegenüber chemischen Lösemitteln.

Bei den Entwickungsarbeiten zur Furandicarbonsäure konnten wir durch Zugabe von Hydroxymethylfurfural aus lignocellulosehaltiger Biomasse erfolgreich eine Ganzzellkatalyse mit Pseudomonas putida etablieren. Durch gezielte Reaktionsführung haben wir im Labor eine Ausbeute von mehr als 80 Prozent bei einer Konzentration bis zu 20 g/L FDCA erreicht. Das anschließende Scale-up erfolgte anhand von Modellexperimenten mit skalierbaren Reaktoren oder Fermentern im Labor. Anhand hierbei ausgewählter dimensionsloser Kennzahlen konnten wir die Prozesse in der maßstäblich größeren Pilotanlage auslegen.

Itaconsäure

Mikroskopische Darstellung des Pilzes Aspergillus terreus.

Bei der Itaconsäure geht der fermentative Herstellungsprozess auf das Jahr 1932 zurück, damals noch unter Verwendung von Aspergillus itaconicus. Mittlerweile wird hauptsächlich der Stamm Aspergillus terreus zur biotechnologischen Herstellung genutzt. Unter Verwendung von A. terreus konnten wir 137 g/L Itaconsäure mit Glucose als Kohlenstoffquelle erzeugen.

Referenzprojekte

CarboSurf – Neue Verfahren zur fermentativen Herstellung von Glykolipid-Biotensiden und sialylierten Kohlenhydraten

Laufzeit: August 2015 – Juli 2018

CarboSurf ist ein Projekt des Bio-Based Industries Joint Undertakings (BBI JU). Ziel des mit sechs Millionen Euro Budget ausgestatteten Projekts ist die Entwicklung neuer Prozesse sowie die Überwindung bestehender Engpässe in der fermentativen Produktion von biobasierten Biotensiden und speziellen Kohlenhydraten.

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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. Basis des Vorhabens stellt der Aufschluss von Holz nach dem Organosolv-Verfahren dar, welcher die Gewinnung der drei Hauptkomponenten von Lignocelllulose (Cellulose, Hemicellulose und Lignin) ermöglicht. Die Gruppe Industrielle Biotechnologie entwickelt die Fermentationsprozesse für Äpfel- und Xylonsäure.

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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

Europa bereitet sich auf die Umstellung von einer fossilen zu einer biobasierten Ökonomie vor. In diesem Rahmen verfolgt Bio-QED das Ziel, den Nachweis der Machbarkeit bio-industrieller Produktionsanlagen zu festigen. Damit verbunden ist die Aufstellung aller technischen/ökonomischen Schlüsselparameter, die für Investitionsentscheidungen über die ersten industriellen Produktionsanlagen zur Herstellung der biobasierten Produkte 1,4-Butandiol und Itakonsäure benötigt werden. Die Projektpartner decken die komplette Wertschöpfungskette für beide Chemikalien ab.

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BioConSepT – Biokonversion und Separationstechnologien für die Produktion und Anwendung von Chemikalien aus Rohstoffen der zweiten Generation

Laufzeit: Januar 2012 – Dezember 2015

BioConSepT fokussiert sich auf die stoffliche Nutzung von Rohstoffen der sogenannten zweiten Generation wie Lignocellulose oder Öle und Fette, die nicht zur Nahrungsmittelproduktion eingesetzt werden können. Dabei werden sowohl enzymatische, mikrobielle als auch chemische Reaktionen eingesetzt und gegebenenfalls in den Produktionsketten miteinander kombiniert. Die Einführung kontinuierlicher Prozesse, neuer Reaktoren und selektiver Auftrennungstechnologien soll Durchbrüche bei der Kostenreduktion und Nachhaltigkeit dieser Prozesse erzielen.

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