Medienoptimierung zur Kostenreduktion der mikrobiellen Konversion von Glycerin zu 1,3-Propandiol

Wilkens, Erik

Die Nachfrage nach Produkten auf Basis nachwachsender Rohstoffe wächst kontinuierlich und mit ihr die Bedeutung der Industriellen Biotechnologie. Das chemisch interessante Intermediat 1,3-Propandiol (1,3-PD) kann mittels mikrobieller Konversion aus Glycerin hergestellt werden. In Folge seiner Bifunktionalität, durch die zwei beinhalteten Hydroxygruppen, liegt der Hauptanwendungsbereich im Einsatz als Monomer für Polymerisationsreaktionen. Um mit konventionellen chemischen Verfahren konkurrieren zu können, müssen die Kosten des biotechnologischen Prozesses verringert werden. In dieser Arbeit wurde daher die Biokonversion von Glycerin zu 1,3-PD im Hinblick auf eine Kostenreduktion optimiert. Bei Nutzung von Pharmaglycerin konnte mit einem natürlichen 1,3-PD-Produzenten (Clostridium butyricum AKR 102a) in Fed-Batch Fermentationen eine maximale 1,3-PD-Konzentration von 93,7 g/L erreicht werden. Diese gehört zusammen mit der erzielten Produktivität von 3,3 g/(L·h) zu den höchsten bisher für natürliche Produzenten publizierten Werten. Zur Reduzierung der Prozesskosten kamen Rohglycerine aus der Biodieselproduktion zum Einsatz. Da Inhaltstoffe der Rohglycerine, wie z. B. Fettsäuren und Salze, das mikrobiologische Wachstum hemmen, wurden zwei Strategien zur Prozessoptimierung verfolgt. Neben einer Vorbehandlung des Rohglycerins stand eine Anpassung der Prozessführung an die hohen Salzgehalte im Fokus. Die hierdurch erreichte Konzentration von 76,2 g/L und die Produktivität von 2,3 g/(L·h) gehören zu den höchsten bisher publizierten Werten für die Nutzung von Rohglycerin. Weiterhin gelang ein erfolgreiches Scale-up der Rohglycerinfermentation in den 200 L-Maßstab. Als zweiter Kosteneinsparungspunkt wurde die Substitution des Hefeextrakts durch ein breites Spektrum komplexer Rohstoffe aus Landwirtschaft bzw. Tierernährung untersucht. Die dabei erzielten Resultate stellen einen sehr guten Ausgangspunkt für weitere Prozessoptimierungen dar.

The demand for products based on renewable resources continually rises and with it the importance of industrial biotechnology. The chemically interesting intermediate 1,3-propanediol (1,3-PD) can be produced via microbial conversion of glycerol. As a result of its bifunctionality, due to the two hydroxy groups, the main area of application lies in the use as a monomer for polymerization reactions. In order to be able to compete with conventional chemical methods, the costs of the biotechnological process have to be reduced. Therefore, in this work the bioconversion of glycerol to 1,3-PD was optimized with regard to a cost reduction. With a natural 1,3-PD-producer (Clostridium butyricum AKR 102a) a maximum 1,3-PD concentration of 93.7 g/L could be obtained when using pure glycerol in fed-batch fermentations. This and the corresponding productivity of 3.3 g/(L·h) are among the highest values reported for natural producers so far. As a means for the reduction of process costs crude glycerol originating from biodiesel production was used. Since certain ingredients of crude glycerol, such as fatty acids and salt, inhibit microbial growth, two process optimization strategies were pursued. In addition to a pre-treatment of the crude glycerol the focus lay on an adaption of the process operation to the high salt content. The obtained 1,3-PD concentration of 76.2 g/L and the productivity of 2.3 g/(L·h) are among the highest values reported for the use of crude glycerol so far. Furthermore, a successful scale-up of the crude glycerol fermentation to the 200 L scale was conducted. As a second point regarding cost reduction the substitution of yeast extract by a broad spectrum of complex raw materials from agriculture and animal nutrition respectively was examined. The obtained results represent a very good starting point for a further process optimization.

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Wilkens, Erik: Medienoptimierung zur Kostenreduktion der mikrobiellen Konversion von Glycerin zu 1,3-Propandiol. 2012.

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