Single reactor approach for platform chemical production from cellulose using a mixed culture

  • Ein Reaktoransatz zur Produktion von Plattformchemikalien aus Cellulose mittels einer Mischkultur

Antonov, Elena; Büchs, Jochen (Thesis advisor); Agler-Rosenbaum, Miriam (Thesis advisor)

Aachen (2017, 2018)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Kurzfassung

Als erster Schritt zur Etablierung eines integrierten Prozessansatzes zur Produktion von Chemikalien aus Cellulose wurde eine Methode zur Messung der Celluloseabbaubarkeit entwickelt. Die neue Methode basiert auf der online Messung der Atmungsaktivität des cellulolytischen Pilzes, Trichoderma reesei Rut-C30 unter Prozessbedingungen in Komplex- und Mineralmedien. Darüber hinaus kann diese Methode zur Bestimmung von neuen Cellulaseproduktion fördernden Substanzen genutzt werden. Anschließend sollte ein geeigneter Cellulaseproduzent identifiziert werden. Als Beispielprozess wurde die Umsetzung von Cellulose zur Plattformchemikalie Itakonsäure durch eine Mischkultur bestehend aus einem cellulolytischen Pilz mit Aspergillus terreus als Itakonsäureproduzenten betrachtet. Fünf verschiedene Cellulasebildner wurden mittels des neue entwickelten „Freeze Assays“ evaluiert. Das „Freeze Assay“ misst die anfängliche Cellulaseaktivität unter Prozessbedingungen durch Messung der Kohlenstofffreisetzungsrate. Die vielversprechenden Kandidaten T. reesei und Penicillium verruculosum wurden durch Messung ihrer Atmungsaktivität beim Wachstum auf Cellulose weiter charakterisiert. Dabei zeigte sich, dass P. verruculosum leicht besser für den ausgewählten Prozess geeignet war. Die Methode kann ohne Weiteres auf das Screening von Cellulaseproduzenten für weitere Anwendungen übertragen werden. Zuletzt sollte die Produktion von Itakonsäure und Glukonsäure aus Cellulose betrachtet werden. Die Machbarkeit des integrierten Prozessansatzes konnte in einer Kultivierung von T. reesei und A. terreus bei Zugabe von cellulolytischen Enzymen gezeigt werden. Eine hohe Enzymkonzentration war notwendig um den für die Itakonsäureproduktion notwendigen Glukoseüberschuss im Fermentationsüberstand zu erzielen. Die Optimierung der Enzymfreisetzung führte jedoch zur Akkumulation von Itakonsäureproduktion inhibierenden Substanzen. Als nächster Schritt muss somit eine effiziente Entfernung dieser Substanzen evaluiert werden. Die Produktion von Glukonsäure wurde durch eine Mischkultur aus T. reesei und Gluconobacter oxydans angestrebt. Hierfür muss die Glukosefreisetzungsrate weiter erhöht werden um eine Glukonsäureproduktion im Mischkulturansatz zu ermöglichen.

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