Biotechnische 2,3-Butandiol-Produktion aus Birkenholz-Hemicellulose

Kallbach, Malee Kristin

Viele alltägliche Produkte wie Plastik, Farben, Wasch- und Reinigungsmittel werden aus fossilen Rohstoffen gefertigt. Doch durch die Endlichkeit der fossilen Rohstoffe müssen alternative Einsatzstoffe gefunden werden. Biotechnisches 2,3-Butandiol (2,3-BDO) ist ein geeignetes Ausgangsmaterial für eine Vielzahl an Produkten, unter anderem von 1,3-Butadien und Methylethylketon. Es gibt bereits viele Studien zur biotechnischen Produktion von 2,3-BDO in denen hohe Endtiter und Ausbeuten erreicht werden. In den meisten Studien werden jedoch reine Glucose oder Saccharose als Kohlenstoffquelle eingesetzt. Beide Substrate stehen in Konkurrenz zur Futtermittel- und Lebensmittelindustrie. Aus diesem Grund wird nach alternativen Substraten gesucht. Ein vielversprechendes Substrat stellt Xylose dar, die aus Holz-Hemicellulose hergestellt wird. Doch die biotechnische Umsetzung von Xylose aus Holz-Hemicellulose geht mit Problemen einher. Viele Mikroorganismen sind nicht in der Lage, Xylose effizient zu verwerten und/oder werden durch Nebenprodukte aus dem Hydrolyse-Prozess der Hemicellulose inhibiert. Es wurde ein Screening durchgeführt, in dem nach neuen 2,3-BDO-Produzenten gesucht wurde, die in der Lage sind, Xylose effizient zu verwerten, durch Nebenprodukte aus Holz-Hemicellulose nicht inhibiert werden und zur Risikoklasse 1 gehören. In dem Screening wurde der Stamm Bacillus vallismortis B-14891 als ein vielversprechender Kandidat identifiziert. Soweit bekannt konnte mit dem Stamm der höchste Endtiter an 2,3-Butandiol und Acetoin (Intermediat von 2,3-BDO) in einem Batch-Ansatz mit Glucose erreicht werden, der je mit einem Risikoklasse-1-Mikroorganismus produziert worden ist. Mit Xylose wurde ebenfalls die höchste 2,3-BDO- und Acetoinkonzentration erzielt, hierfür wurde ein Fed-Batch-Verfahren angewendet. Der Stamm ist zudem in der Lage, Xylose aus Holz-Hemicellulose genau so effizient zu verwerten wie reine Xylose. So konnte in einem Batch-Ansatz mit einem Holz-Hemicellulose-Hydrolysat die bisher höchste Produkt-konzentration produziert werden. Neben Xylose und Glucose kann der Stamm noch 13 weitere Substrate zu 2,3-BDO umsetzen. Dabei stellt der Stamm keine hohen Ansprüche an das Medium. Eine Zudosierung von teuren Supplinen wie Hefeextrakt ist nicht notwendig. Mit geeigneten Prozessbedingungen und optimierten Medien könnte sich daher mit B. vallismortis B-14891 erstmals ein wirtschaftlicher biotechnischer Prozess zur Herstellung von 2,3-BDO realisieren lassen.

Numerous everyday products such as plastics, paints, detergents and cleaning products are produced from fossil feedstocks. The finiteness of fossil raw materials forces a rethink in chemical industries for the production of these products. Biotechnologically produced 2,3-butanediol (2,3-BDO) is a potential starting material for industrial bulk chemicals such as butadiene or methyl ethyl ketone which are currently produced from fossil feedstocks. There are many studies on the biotechnological production of 2,3-BDO reaching high end concentration and high efficiency with pure glucose or sucrose as substrate. However, both substrates stay in competition to food and feed industries. Therefore, a lot of effort has been put into finding efficient alternative substrates recently. Thereby xylose from hydrolyzed wood hemicelluloses is a promising substrate for the production of 2,3-BDO. However, the transfer of the existing processes with pure glucose or sucrose to a process with xylose from wood hemicellulose hydrolysate remains challenging. Emerging problems are the conversion of xylose in high yields as well as inhibiting effects by byproducts in the hydrolysate. A screening for new 2,3-BDO producing strains was performed. Emphasize was put on a) finding strains that convert xylose in an efficient way without inhibitation by by-products from wood hydrolysates and b) using strains that belong to risk group 1 (not pathogen to humans). Bacillus vallismortis B-14891 was identified as a suitable strain. Within this study the strain reached the highest amount of 2,3-BDO and acetoin (an intermediate of 2,3-BDO) that was produced by a risk group 1 microorganism in a batch approach with pure glucose. With pure Xylose it formed also the highest 2,3-BDO and acetoin concentration. For the conversion of xylose to 2,3-BDO a fed-batch approach was used. B. vallismortis B-14891 is able to convert xylose from wood hemicellulose as efficient as pure xylose. Thus, in a batch approach the highest product concentration formed by risk group 1 microorganism out of wood hemicellulose was reached. Beside xylose and glucose the strain is able to convert at least 13 further substrates to 2,3-BDO. Thereby a dosage of expensive supplements like yeast extract was not necessary, due to low media requirements of the strain. Thorough optimizations of process parameters and media composition could enable an efficient process for the production of 2,3-BDO from wood hemicellulose hydrolysate.

Vorschau

Zitieren

Zitierform:

Kallbach, Malee: Biotechnische 2,3-Butandiol-Produktion aus Birkenholz-Hemicellulose. 2018.

Zugriffsstatistik

Gesamt:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:
12 Monate:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:

Details anzeigen

Rechte

Nutzung und Vervielfältigung:
Alle Rechte vorbehalten

Export