Entwicklung und Optimierung mikrobieller Lignocellulose-basierter Fermentationsverfahren zur Herstellung von Bulk-Chemikalien und Treibstoffen

Die mikrobielle Fermentation von nachwachsenden Rohstoffen gewinnt stetig an Bedeutung und ersetzt zunehmend traditionelle Erdöl-basierte chemische Prozesse. Dabei sollen zukünftig bevorzugt Substrate verwendet werden, die nicht mit der Nahrungsmittelproduktion konkurrieren. Daher sind Lignozellulose-basierte Wertschöpfungsketten von besonderem Interesse. Entsprechende Verfahren zur Monomerisierung von Lignocellulose existieren. Allerdings sind industriell relevante Organismen wie C. glutamicum derzeit nicht in Lage, alle Monomereinheiten aus der Lignozellulose (vollständig) zu metabolisieren. Neue industriell anwendbare Prozesse kombinieren die Vorteile einer aeroben und anaeroben Prozessführung in einem einzigen Reaktormodul (zweiphasiges Produktionsverfahren). Auf eine schnelle Biomassebildung unter aeroben Bedingungen folgt eine hoch effiziente anaerobe Produktionsphase, die durch ein sogenanntes ruhendes Wachstum (‚zero growth‘ oder ‚resting cell‘ Verfahren) geprägt ist. Diese ‚dual phase‘ Strategie führt zu Prozessen mit hohem Ertrag und Produktivität.

Ergebnisse des Teilprojektes:

• Wir identifizierten 16 chromosomale Integrationsorte in welche Gene für die Metabolisierung von D-Xylose und L-Arabinose integriert wurden. Die konstruierten Stämme zeigten hohe Wachstumsraten auf einer Hemicellulosefraktion aus einem Organosolv-Verfahren. Schließlich entwickelten wir auf dieser Fraktion mit einem maßgeschneiderten C. glutamicum Stamm einen Isobutanol-Fermentationsprozess.
• Pyrolysewasser ist ein bislang ungenutzter Stoffstrom der schnellen Pyrolyse von Stroh. Wir entwickelten mit speziell konstruierten C. glutamicum-Stämmen ein zweiphasiges-Fed-Batch-Verfahren mit Pyrolysewasser als Substrat in welchem 1,2-Propandiol mit hohem Ertrag und hoher Produktivität produziert wurde.
• In einer weiteren Arbeit liefern wir einen tiefen Einblick in die transiente transkriptionelle Anpassung von C. glutamicum an eine zunehmende Sauerstofflimitierung während eines dual phase-Prozesses.