Evaluierung von Pyrolyseöl als Plattformsubstrat für die Fermentation

Pyrolyseöl, eine komplexe Mischung vieler organischer Verbindungen, das als Produkt der Flash-Pyrolyse von organischen Materialien (z.B. Weizenstroh) entsteht, wurde auf seine Eignung als alternative Kohlenstoffquelle für biotechnologische Fermentationsprozesse untersucht. Dabei wird eine möglichst vollständige Verwertung der organischen Substanzen angestrebt und es treten Substanzen auf, die akkumulieren können oder auf bestimmte Mikroorganismen hemmend wirken. Als Modellsysteme wurden im Teilprojekt A die Rhamnolipidproduktion mit Pseudomonas putida und in Teilprojekt B die L-Äpfelsäureproduktion mit dem filamentösen Schimmelpilz Aspergillus oryzae untersucht. Zusätzlich dazu wurde nach weiteren Mikroorganismen gescreent, die Pyrolyseöl als Kohlenstoffquelle nutzen können.

In Teilprojekt A wurde die Eignung von Pyrolyseöl zur bakteriellen Biokonversion untersucht, wobei verschiedene Fraktionen sowie Methoden zur Vorbehandlung zum Einsatz kamen (Arnold et al., 2018). Es konnte gezeigt werden, dass von verschiedenen industriell relevanten Bakterien insbesondere P. putida KT2440 vergleichsweise gutes Wachstum zeigt. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass mit einem geeigneten System zur heterologen Produktion von Rhamnolipiden (P. putida KT2440 pSynPro8oT_rhlAB) ein industriell relevantes Produkt auf Basis von vorbehandeltem Schwelteerextrakt hergestellt werden kann.

In Teilprojekt B konnte gezeigt werden, dass sich Pyrolyseöl als Substrat für A. oryzae bis zu einem Gehalt von 1,5 % als einzige Kohlenstoffquelle zur Biomassegenerierung eignet, jedoch nicht für die Produktion von Äpfelsäure. In einem Toleranzscreening wurden toxische Inhaltsstoffe identifiziert, die möglicherweise für die Inhibierung der Produktbildung verantwortlich sind. Als besonders toxisch erwiesen sich phenolische Substanzen und 2-Cylcopenten-1-on. Besonders gut wurden dahingegen Acetat und Levoglucosan verstoffwechselt. Beide Kohlenstoffquellen eigneten sich auch sehr gut für die Produktion von L-Äpfelsäure (Dörsam et al., 2016; Oswald et al., 2016). In einem Screening nach weiteren Mikroorganismen mit erhöhter Toleranz gegenüber Pyrolyseöl wurde der Weißfäulepilz Trametes versicolor, sowie das Bakterium Bacillus megaterium identifiziert.

Als zweites Pyrolyseprodukt wurde Schwelwasser untersucht. Es wurde jedoch nach gründlicher Evaluierung für bisher ungeeignet für die fermentative Äpfelsäureproduktion befunden, da auch hier zu viele toxische Substanzen enthalten sind, die sowohl Wachstum als auch Produktbildung von A. oryzae inhibieren.

Zusätzlich wurden verzuckerte Fraktionen aus der Cellulose und der Hemicellulose von Rotbuche und Miscanthus evaluiert. In Schüttelkolben- und Bioreaktorkultivierungen konnten die Cellulose Fraktionen beider Lignozellulose Quellen, sowie die Hemicellulose Fraktion der Rotbuche erfolgreich zur Äpfelsäureproduktion verwendet werden (Dörsam et al. 2017).