Biotechnologische Verwertung von komplexen Neben- und Abfallströmen am Beispiel von Schwelwasser und Schwelwasserfraktionen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Um Produktionsprozesse auf fossiler Basis durch biotechnologische Verfahren auf Basis von erneuerbaren Rohstoffen abzulösen, müssen diese Bio-Prozesse wirtschaftlich konkurrenzfähig sein. Die Nutzung von kostengünstigen, aus Biomasse gewonnenen Nebenströmen wie beispielsweise Schwelwasser kann dazu beitragen, Produktionskosten zu senken. Acetat-haltiges Schwelwasser entsteht als wässriges Kondensat in der Schnellpyrolyse. Ziel des Projekts war es, Möglichkeiten zur Nutzung von Schwelwasser für die Herstellung von L-Äpfelsäure mit Aspergillus oryzae zu entwickeln. Aufgrund der hohen Toxizität des aus Weizenstroh gewonnenen Schwelwassers war es nicht möglich, dieses unbehandelt als Substrat für Wachstum oder Produktion zu verwenden. Dabei wurde insbesondere Diacetyl als stark wachstumshemmend identifiziert. Weder durch Adaptation noch durch eine EMS-induzierte Mutagenese gelang es, Mutanten zu erzeugen, die für die Äpfelsäureproduktion ausreichend hohe Schwelwasserkonzentration tolerieren konnten. Deshalb ist für die Nutzung von Schwelwasser als Substrat eine Abreicherung toxischer Komponenten unabdingbar. Da zu Beginn des Projekts die verfügbaren Informationen zur Verwendung von Acetat als Kohlenstoffquelle für die Äpfelsäureproduktion jedoch gering waren, musste zunächst dieser Prozess näher untersucht und optimiert werden. In Schüttelkolbenkultivierungen wurde eine Acetatkonzentration von 45 g/L als optimal für die Säureproduktion identifiziert, wobei die erreichbare Äpfelsäurekonzentration im batch-Prozess unter 10 g/L lag. Bei Untersuchungen des Nebenproduktspektrums wurde Succinat als wichtigstes Begleitprodukt identifiziert, das ca. 40 % der insgesamt produzierten Säure ausmachte, während der Anteil von Malat ca. 55 % betrug. Da im Medium mit 45 g/L Acetat eine filamentöse Morphologie beobachtet wurde, eine pelletförmige Struktur aber aufgrund niedrigerer Viskosität und der Möglichkeit zur Biomasserückhaltung oft bevorzugt wird, wurde die Möglichkeit zur Immobilisierung von A. oryzae untersucht. Dazu wurden Sporen in den natürlichen Polymeren Alginat, Agar und κ-Carrageen eingeschlossen. Durch die hohe Ionenkonzentration im Acetatmedium wurde insbesondere für Alginat eine geringe Stabilität in späteren Phasen der Fermentation beobachtet. Trotz der Herausforderungen bezüglich der Stabilität erwiesen sich Kultivierungen mit Immobilisaten als vorteilhaft in Bioreaktorfermentationen, da sie eine Festsetzung der Biomasse an Einbauten des Reaktors verhinderten. Bei Vergleichsfermentationen mit Glucose wurden keine Einschränkungen der Stabilität beobachtet und Kultivierungen mit immobilisiertem A. oryzae in glucosehaltigem Medium waren erfolgreich. Um die maximale Äpfelsäurekonzentration auf Basis von Acetat zu steigern, wurde der Effekt eines pH-Wert gekoppelten Essigsäurefeeds im 2,5-L Bioreaktor untersucht. Durch diesen Feed ließ sich die erreichbare Malatkonzentration um das ca. 5-fache steigern und auch Ausbeute und Produktivität wurden verbessert. Im Rahmen des Projekts wurden essenzielle Fragen bezüglich der Malatproduktion auf Basis von Acetat beantwortet, die als wichtige Bausteine für eine effiziente Produktion der Säure mit detoxifiziertem Schwelwasser dienen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Malic acid production from renewables: a review. J. Chem. Technol. Biotechnol. 2020, 95 (3), 513–526
Kövilein, A.; Kubisch, C.; Cai, L.; Ochsenreither, K.
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Acetate as substrate for L-malic acid production with Aspergillus oryzae DSM 1863. Biotechnol. Biofuels 2021, 14 (1), 48
Kövilein, A.; Umpfenbach, J.; Ochsenreither, K.
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L-malic acid production with Aspergillus oryzae using acetate as carbon source. Himmelfahrtstagung on Bioprocess Engineering 2021 - New Bioprocesses, New Bioproducts, Online Event, May 2021
Kövilein, A.; Ochsenreither, K.
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Immobilization of Aspergillus oryzae DSM 1863 for L-Malic Acid Production. Fermentation 2022, 8 (1), 26
Kövilein, A.; Aschmann, V.; Hohmann, S.; Ochsenreither, K.
