VOLATIL - Integrierte zweistufige Fermentations­prozesse zur Nutzung von Abfallströmen in Bioraffinierien

Trotz erheblicher Fortschritte bei der Entwicklung von Produktionsstämmen und Fermentationsprozessen sind kommerzielle Bioraffinerien, die Rohstoffe der zweiten Generation (2G) verwenden, immer noch schwer zu finden. Bei der Analyse der anhaltenden Schwierigkeiten bei der Etablierung von Bioraffinerien der zweiten Generation lassen sich zwei Haupthindernisse ausmachen: Erstens enthalten organische Abfallströme häufig Inhibitoren und müssen daher verdünnt werden, um als Substrate für das mikrobielle Wachstum zu dienen. Daher sind die Endprodukttiter solcher Fermentationen oft niedrig, was die nachgeschaltete Verarbeitung teuer macht. Zweitens ist die chemische Zusammensetzung der Abfallströme oft schlecht definiert. Sie bestehen aus einer komplexen Matrix von Mineralsalzen und organischen Substanzen, von denen nur ein Teil von Mikroorganismen verwertet werden kann. Verbindungen, die von den Produktionsstämmen nicht verwertet werden, verbleiben häufig im Fermentationsmedium und finden sich schließlich im Endprodukt wieder. Die Folgen dieser Verunreinigungen reichen von Abweichungen von der gewünschten Farbe des Produkts bis hin zu seiner völligen Unverwendbarkeit in nachfolgenden Verarbeitungsstufen. Wirtschaftlich gesehen bedeutet dies unverhältnismäßig hohe Kosten für die Produktreinigung oder sogar ein völliges Versagen der Technologie.

Im vorliegenden Projekt werden wir diese Probleme durch die Entwicklung eines zweistufigen Fermentationsprozesses lösen, bei dem in der ersten Stufe der eigentliche Abfallstrom durch einen Stamm fermentiert wird, der Ethylacetat (EA) produzieren kann. Das leicht flüchtige EA wird kontinuierlich über einen Gasstrom aus dem Abfallfermenter abgezogen, um eine zweite Gasfermentationsstufe zu speisen, in der EA durch einen anderen Produktionsstamm in das gewünschte Produkt umgewandelt wird. Die kontinuierliche Zuführung von EA zur Gasfermentationsstufe ermöglicht das Erreichen hoher Zielproduktkonzentrationen, während gleichzeitig das in der Abfallfermentationsstufe verwendete Medium stark verdünnt werden kann, um eine Verlangsamung des Wachstums durch Salze oder Inhibitoren zu vermeiden. Darüber hinaus wird die Verwendung hoch definierter (sauberer) mineralischer Medien in der EA-Gas-Fermentationsstufe die nachgeschaltete Verarbeitung erheblich erleichtern und somit die Verarbeitungskosten senken.

Da EA ohne Kohlenstoffverlust aus Acetyl-CoA gewonnen und wieder in dieses umgewandelt werden kann, kann es als flüchtiges Shuttle-Molekül betrachtet werden, das Acetyl-CoA zwischen den Prozessstufen überträgt. Wir schlagen daher ein generisches Konzept vor, das die effiziente mikrobielle Produktion beliebiger aus Acetyl-CoA-abgeleiteter Produkte aus organischen Abfallströmen ermöglicht.

Als Zielmolekül für diese Studie haben wir 3-Hydroxypropionsäure (3HP) gewählt, die ein Vorprodukt von Acrylsäure und biologisch abbaubaren Kunststoffen ist und sich für die Produktion aus Reststoffen in Bioraffinerien eignet, da ein ausreichend großer Markt für 3HP vorhanden ist, um ein großes Volumen an Rohmaterial einer geeigneten Nutzung zuzuführen. Darüber hinaus erzielt 3HP einen relativ niedrigen Verkaufspreis, der die Produktion aus organischen Abfallströmen rechtfertigt bzw. notwendig macht.

Projektfinanzierung:

BMBF - Bundesministerium für Bildung und Forschung

Förderkennzeichen: 031B1433

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Projektleitung:

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Name

Prof. Dr.-Ing. Thomas Walther

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Wissenschaftlicher Mitarbeiter

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Dipl.-Ing. Andreas Hoffmann

Bioprozesstechnik

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Projektlaufzeit:

01.12.2023-30.11.2026

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