Towards hybrid production of fine chemicals and high-value compounds

• Wege zur hybriden Produktion von Feinchemikalien und hochwertigen Substanzen

Labib, Mohamed Mamdouh Ali Abdelmoteleb; Wiechert, Wolfgang (Thesis advisor); Büchs, Jochen (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021, 2022)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Kurzfassung

Aktuell beruhen industrielle Bioprozesse hauptsächlich auf einem "Ein Substrat - Ein Produkt" Konzept. Im Gegensatz dazu erfordert die Implementierung einer nachhaltigen und im Hinblick auf eine ökologisch und ökonomisch kompetitive Bioökonomie den Aufbau hochvernetzter Wertschöpfungsnetzwerke basierend auf "Multi Substrat - Multi Produkt" Prozessen. Die Etablierung solcher "hybriden" Produktionsprozesse erfordert eine effiziente Kopplung von mikrobiellen Biotransformationen und enzymatischen Kaskadenreaktionen mit maßgeschneiderten Verfahren zur Produktabtrennung. Im ersten Teil dieser Promotionsarbeit wurde ein nachhaltiger Bioprozess für die mikrobielle Produktion und anschließende Aufarbeitung von Protocatchuat (PCA) etabliert. Durch die Kombination von in silico-Stammdesign und gezieltem Metabolic Engineering wurde ein Corynebacterium glutamicum-Stamm entwickelt, der D-Xylose effizient verwerten kann und eine 14-fach höhere PCA-Produktion im Vergleich zum Ausgangstamm ermöglicht. Anschließend wurde ein einstufiger Fermentationsprozess etabliert, bei dem D-Glucose und D-Xylose als komplementäre Substrate für das Zellwachstum bzw. die Produktsynthese eingesetzt werden können. Die Aufarbeitung von PCA aus Fermentationsüberstanden wurde durch elektrochemisch induzierte Kristallisation realisiert, indem die pH-abhängigen Eigenschaften von PCA ausgenutzt wurden. Im zweiten Teil der Arbeit wurden mikrobielle und enzymatische Verfahren entwickelt, um die nachhaltige Produktion von Metaraminol auf Basis von biobasiertem 3-Hydroxybenzoat (3HB), Pyruvat, L-Alanin und 3-Hydroxybenzaldehyd (3HBald) zu ermöglichen. In diesem Zusammenhang wurde der Metabolismus von C. glutamicum zielgerichteten Modifikationen unterzogen, um die Produktion von 3HB aus D-Xylose als einziger Kohlenstoffquelle, sowie die Koproduktion von Pyruvat und L-Alanin unter mikroaeroben Bedingungen zu ermöglichen. Die Überstände aus der Kultivierung der entsprechenden Stämme wurden anschließend als Substrat für nachgeschaltete enzymatische Kaskadenreaktionen weiter untersucht. Der Einsatz hochselektiver Carboxylat-Reduktasen zur Reduktion von 3HB ermöglicht die effiziente enzymatische Synthese von 3HBald. Analog demonstriert die vollständige enzymatische Umsetzung von Pyruvat zu (R)-Phenylacetylcarbinol (3-OH-PAC) - einer chemischen Vorstufe von Metaraminol - die Atomeffizienz der entsprechenden enzymatischen Reaktion. Die etablierten Produktionsrouten für PCA und Metaraminol stellen eine beispielhafte Demonstration hybrider Produktionsprozesse dar. Dieser Demonstrator kann als Blaupause für die Entwicklung hochgradig verwobener Netzwerke und deren Einsatz in der nachhaltigen Produktion von Feinchemikalien und hochwertiger Substanzen angesehen werden.

Einrichtungen

• Lehrstuhl für Computational Systems Biotechnology (FZ Jülich) [420410]