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Nutzung nachwachsender Rohstoffe für die biotechnologische Produktion von Fumarsäure

GND
1142181421
Affiliation
Johann Heinrich von Thünen-Institut
Eidt, Laslo

Fumarsäure (FA) ist eine bedeutende Chemikalie, die in verschiedenen Bereichen der chemischen Industrie Anwendung findet. So wird FA in der Polymerindustrie zur Herstellung von ungesättigten Polyesterharzen verwendet, die heutzutage größtenteils auf Basis von fossilen Rohstoffen produziert werden. Bezüglich einer nachhaltigen biotechnologischen Produktion von FA besteht die Herausforderung in der Entwicklung einer kostengünstigen und robusten Fermentation, die die Bildung von industriell relevanten Endtitern, Produktivitäten und Ausbeuten ermöglicht. 
In dieser Arbeit wurde hierzu mittels des Pilzes Rhizopus arrhizus NRRL 1526, auf Basis von Glucose, eine gezielte Optimierung des Mediums und der Kultivierungsstrategie durchgeführt. Dabei konnten bedeutende Erkenntnisse zur Morphologie-Kontrolle gewonnen und die Produktionseigenschaften optimiert werden. Mittels einer Batch-Strategie wurde im Schüttelkolbenmaßstab ein Endtiter von 86,3 g/L FA, bei einer Ausbeute von 0,67 g/g und 0,60 g/(L∙h) Produktivität erzielt. Durch einen Transfer in einen aktiv begasten 1 L Bioreaktor konnte die Produktivität um 45 % gesteigert werden. Zudem wurde ein Fed-Batch Prozess entwickelt, der eine gekoppelte Zugabe von Glucose und Ammoniumsulfat enthielt. Durch die Verlängerung der Produktionsphase konnte hierbei ein maximaler Endtiter von 195,4 g/L FA realisiert werden. Bei diesem Titer handelt es sich nach aktuellem Wissensstand um die höchste Endkonzentration an FA, die biotechnologisch produziert worden ist.
Um bei der biotechnologischen Produktion von FA, eine direkte Konkurrenz zur Lebensmittelindustrie zu vermeiden, wurde zusätzlich der Einsatz des nachwachsenden Reststoffs Apfeltrester untersucht. Zur Biokonversion der sowohl frei vorliegenden als auch strukturell gebundenen Zucker wurden unterschiedliche Prozessstrategien untersucht und unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten verglichen. Dabei ermöglichte eine zweistufige Extraktion mit Wasser und anschließendes hydraulisches Auspressen des Apfeltresters eine effektive und simple Methode zur Gewinnung einer zuckerhaltigen Flüssigkeit. Diese diente in aufkonzentrierter und aufgereinigter Form als Ausgangssubstrat und ermöglichte bei einer Kultivierung die Produktion von 79,3 g/L FA. Somit konnte in dieser Arbeit erfolgreich ein effektiver biotechnologischer Herstellungsprozess etabliert werden, der die gesamte Wertschöpfungskette abdeckt, ausgehend vom nachwachsenden Reststoff Apfeltrester bis hin zum Endprodukt FA.

Fumaric acid (FA) is an important chemical, which is applied in various areas of the chemical industry. The unsaturated dicarboxylic acid is used for example in the polymer industry to produce unsaturated polyester resins, which nowadays are mostly made from fossil feedstocks. With regards to a sustainable biotechnological production of FA, the main challenge is to develop a cost-effective and robust fermentation process that enables the formation of industrially relevant end titers, productivities and yields. 
Based on the substrate glucose, the filamentous fungus Rhizopus arrhizus NRRL 1526 was used in this study to carry out a targeted media optimization and to develop various cultivation strategies. This has led to significant insights of morphology control and the optimization of production characteristics. By using a batch strategy, a final titer of 86.3 g/L FA was achieved on a shaking flask scale, with a yield of 0.67 g/g and 0.60 g/(L∙h) productivity. By transferring this strategy into an actively aerated 1 L bioreactor, an increase in productivity of 45 % was demonstrated, thus indicating the high potential for further upscaling approaches. In addition, a fed-batch process was developed, containing a coupled feed of glucose and ammonium sulfate. By successfully extending the production phase, a maximum final titer of 195.4 g/L FA was achieved on a shaking flask scale. According to current knowledge, this value is the highest final concentration of FA produced biotechnologically.
In order to avoid a direct competition to the food industry with regards to the utilized substrate glucose, the application of a renewable residue was additionally investigated within this study. In this context, it was possible to identify apple pomace as a suitable sugar-rich feedstock. For the bioconversion of free and structurally bound sugars, different process strategies were investigated and compared from an economic point of view. Thereby, a two-stage extraction of apple pomace with water followed by hydraulic pressing enabled an effective method to obtain a sugar-rich liquid. In concentrated and purified form, the sugar-rich liquid served as substrate and enabled the production of up to 79.3 g/L FA during the cultivation of R. arrhizus NRRL 1526. Consequently, an effective biotechnological manufacturing process was successfully established, covering the entire value chain, starting from the renewable residue apple pomace up to the end product FA.

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