Biotechnisch hergestellte D-Milchsäure – Substitution von Hefeextrakt durch agrarische Rohstoffhydrolysate

Klotz, Silvia

Der isotaktische Stereokomplex von Poly-L- und Poly-D-Milchsäure weist im Vergleich zu den jeweiligen Reinformen eine höhere thermische und mechanische Stabilität auf. Da für die Herstellung enantiomerenreine L- und D-Milchsäure benötigt werden, bisher aber nur L-Milchsäure großtechnisch fermentativ hergestellt wird, ist ein hochproduktiver Prozess zur industriellen Produktion von D-Milchsäure nötig. Dabei wird häufig Hefeextrakt als komplexe Nährstoffquelle eingesetzt. Da Hefeextrakt einen großen Kostenfaktor der Milchsäurefermentation darstellt, ist die Nutzung alternativer Nährstoffquellen auf Basis agrarischer Rohstoffe wünschenswert. Diese geht aber meist einher mit geringen Produktivitäten und Lactatkonzentrationen. In dieser Arbeit wurde die Nutzung agrarischer Rohstoffe als Nährstoffquelle für die fermentative Produktion von D-Milchsäure mit Sporolactobacillus putidus und Sporolactobacillus inulinus untersucht. Dazu wurde die Zusammensetzung verschiedener Hefeextrakte und alternativer Nährstoffquellen analysiert. Um die in Hefeextrakt enthaltenen fördernd wirkenden Komponenten zu identifizieren, wurden die Daten mittels multivariater statistischer Analysemethoden ausgewertet. Im Vergleich dazu, wurde am Beispiel von S. inulinus eine konventionelle Medienoptimierung durchgeführt. Mit einem vollsynthetischen Medium, basiert auf der Zusammensetzung von Hefeextrakt, gelang es, die Einflussfaktoren aufzuklären. Es stellte sich heraus, dass der Gehalt an freien Aminosäuren limitierend für die Lactatkonzentration ist, während die Produktivität maßgeblich durch Phosphat, Vitamine und Nukleoside beeinflusst wird. Des Weiteren zeigte sich, dass S. inulinus nicht in der Lage ist, Proteine und Peptide effizient zu metabolisieren und folglich ein hoher Hydrolysegrad der Nährstoffquelle erforderlich ist. Es wurden enzymatische und chemische Hydrolysemethoden verglichen, wobei die chemische Vollhydrolyse mit 3 M H2SO4 den effektivsten Aufschluss der Proteine bewirkte. Der Einsatz dieser Vollhydrolysate, kombiniert mit einer spezifischen Supplementierung entsprechend der Nährstoffanforderungen, erbrachte hohe Lactatkonzentrationen und Produktivitäten. In einem Fed-Batch-Ansatz mit Rapsschrotvollhydrolysat gelang es, eine Lactatkonzentration von 221 g/L mit einer Ausbeute von 96 % zu erzielen. Mit der erfolgreichen Substitution des Hefeextrakts durch Rohstoffhydrolysate konnte auf diese Weise eine Kostensenkung der Nährstoffquelle von 86 – 91 % erreicht werden.

The isotactic stereocomplexation of poly-L- and poly-D-lactic acid results in polylactic acid with increased thermal and mechanical stability. For its synthesis enantiomerically pure L- and D-lactic acid are required. While L-lactic acid is already produced on an industrial scale by fermentation of lactic acid bacteria, a highly productive process for the biotechnological production of D-lactic acid still needs to be implemented. Yeast extract, which is often used as nutrient source, is one of the major cost-factors in lactic acid fermentation. However, the utilization of alternative nutrient sources from renewable resources, mostly results in lower productivities and final concentrations. In this study, the utilization of agricultural raw materials as alternative nutrient sources for the fermentative production of D-lactic acid with Sporolactobacillus putidus and Sporolactobacillus inulinus has been investigated. For this purpose, the compositions of various yeast extracts and alternative nutrient sources were analyzed and promoting effects of components were evaluated by multivariate statistical analysis. On the other hand, a conventional media optimization was carried out by the example of S. inulinus. In order to determine the impact of single components, a synthetic medium, based on the analytical data of yeast extract, was developed. The influence factors were determined by reduction of single components in the medium on a 96-deep well plate scale. In summary, the amount of free amino acids is a limiting factor for final concentration of D-lactic acid, while the productivity is significantly influenced by phosphate, vitamins and nucleosides. Further experiments showed that S. inulinus has a limited capability to metabolize proteins and peptides. To improve the degree of hydrolysis of alternative nutrient sources, various enzymatic and chemical hydrolysis methods were compared, among them, chemical hydrolysis with 3 M H2SO4 resulted in the most efficient degradation of protein-rich agricultural raw materials. The utilization of these hydrolysates combined with a specific supplementation resulted in high final concentrations and high productivities. A fed-batch fermentation with chemically hydrolyzed coarse rapeseed meal as nutrient source yielded a final concentration of 221 g/L D-lactic acid with a yield of 96 %. With the successful substitution of yeast extract by hydrolyzed agricultural raw materials a cost reduction of 86 – 91 % could be achieved.

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Klotz, Silvia: Biotechnisch hergestellte D-Milchsäure – Substitution von Hefeextrakt durch agrarische Rohstoffhydrolysate. 2017.

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