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Bernsteinsäure (BS) kann auf biotechnischem Weg aus einer Vielzahl von Substraten mit hohen Ertragskoeffizienten, hoher Produktivität und hohen Endkonzentrationen hergestellt werden. Dabei kann auf das vorherrschende Roh- und Reststoffpotential aus Agrar- und Landwirtschaft zurückgegriffen werden. Die hergestellte BioBernsteinsäure dient dann als Ausgangsstoff für eine Vielzahl an Chemikalien und Polymeren. Biotechnisch hergestellte BS findet außerdem in empfindlichen Bereichen der Lebensmittel-, Pharma- und Kosmetikindustrie zahlreich Verwendung. Dadurch, dass BS ein Zwischenprodukt des Citratzyklus und ein Stoffwechselprodukt einiger Mikroorganismen ist, lässt sich die biotechnische Herstellung mit vergleichsweise einfachen Mitteln umsetzen. Besonders eignen sich hierbei natürliche Überproduzenten, welche BS über den reduktiven Citratzyklus produzieren. Während des reduktiven Citratzyklus wird CO2 eingelagert, wodurch Ertragskoeffizienten von größer 1 gBS/gSubstrat erzielt werden können. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, einen biotechnischen Produktionsprozess im Hinblick auf Ertragskoeffizient, Produktivität und Bernsteinsäureendkonzentration zu optimieren. Als Substrat diente Glycerin, welches hauptsächlich bei der Biodieselproduktion als Abfallprodukt entsteht. Im Verlauf dieser Arbeit wurden grundlegende Erkenntnisse zur Bernsteinsäureproduktion mit der unbekannten, aus dem Boden isolierten Mischkultur DSM 32268, welche einen neuartigen Organismus der Actinobacteria enthält, gewonnen. Hierbei gehörte die Einstellung der optimalen Sauerstoff- und auch Kohlenstoffdioxidverfügbarkeit für den mikroaerophilen, sowie kapnophilen Organismus zu den Hauptschwerpunkten. Prozessparameter wie pH-Wert, Temperatur, Redoxpotential, Rührerdrehzahl und Begasungsraten wurden zu diesem Zweck in verschiedenen Reaktorsystemen untersucht. Die besten Ergebnisse wurden im Zulaufverfahren erzielt, bei welchem im vorangestellten Satzbetrieb eine Glycerinanfangskonzentration von 50 g/L eingesetzt wurde und dem System im folgenden Zulauf jeweils ca. 35 g/L reines Glycerin zugegeben wurde. Bei der wachstumsentkoppelten Produktion wurden ein Ertragskoeffizent, eine Produktivität und eine maximale Bernsteinsäureendkonzentration von Y=1,15 g/g, P=0,39 g/(L*h) und BS=117 g/L erreicht. Beim Einsatz von 50 g/L Glycerin wurden im Satzbetrieb ein Ertragskoeffizient, eine Produktivität und eine Bernsteinsäureendkonzentration von Y=0,98 g/g, P=0,55 g/(L*h) und BS=50,8 g/L erhalten. Somit lässt sich der in dieser Arbeit entwickelte Produktionsprozess als konkurrenzfähig einordnen.
Succinic acid (SA) can be bioengineered from a variety of substrates with high yield, high productivity, and high final product concentrations. In doing so, the prevailing feedstock and residual material potential from agriculture can be used. The biosuccinic acid produced is then used as basic material for a large number of chemicals and polymers. Biotechnically produced SA is also widely used in sensitive areas of food, drug and cosmetic industries. Since SA is an intermediate of the citric acid cycle and a metabolic product of microorganisms, biotechnical production can be implemented with comparatively simple means. Natural overproducers that produce SA via the reductive citric acid cycle are particularly suitable here. CO2 is stored during the reductive citric acid cycle, which means that yields of more than 1 gSA/gsubstrate can be achieved. The aim of the present work was to optimize a biotechnical production process with regard to yield, productivity and final SA concentration. The used substrate was Glycerol, which mainly occurs as a waste product in biodiesel production. In the course of this work, fundamental insights into SA production were gained with the unknown soil-isolated mixed culture DSM 32268, which contains a novel Actinobacteria organism. The adjustment of the optimal availability of oxygen and carbon dioxide for the microaerophilic and capnophilic organism was one of the main focuses. For this purpose, process parameters such as pH, temperature, redox potential, stirrer speed and gassing rates were investigated in different reactor systems. The best results were achieved by fed-batch process, in which an initial glycerol concentration of 50 g/L was used in the preceding batch operation and approx. 35 g/L of pure glycerine was added to the system in subsequent feed. In growth-decoupled production, yield, productivity and maximum final SA concentration of Y=1.15 g/g, P=0.39 g/(L*h), SA=117 g/L were achieved. When using 50 g/L glycerol inital during batch, yield , productivity and final SA concentration of Y=0.98 g/g, P=0.55 g/(L*h), SA=50.8 g/L were achieved. Thus, the production process developed in this work can be classified as competitive. |
