Universität Hohenheim - Fakultät Naturwissenschaften - Institut für Lebensmittelwissenschaft und Biotechnologie (150) - Fg. Bioverfahrenstechnik (150k)
Fruwirthstr. 12
70599 Stuttgart

22004513

01.05.2015

Nach Vorversuchen im Schüttelkolben zur Auswahl von Medium und Prozessbedingungen wurde zunächst eine Zufütterungsstrategie über den pO2-Wert entwickelt, welche im Bioreaktor angewendet wurde. Im weiteren Verlauf des Projekts wurde eine Prozessführung auf Basis eines temperatursensitiven RNA-Thermometers zur Herstellung von Rhamnolipiden im Bioreaktor entwickelt. Ein dafür entwickeltes Prozessmodell wurde in Simulationen dazu verwendet, um den zeitlichen Konzentrationsverlauf von Biomasse, Glukose und Rhamnolipid mit P. putida KT2440 pSynpro8oT_rhlAB abzubilden. Zur Quantifizierung und darauffolgenden Reduzierung der Nebenproduktbildung wurden neben P. putida KT2440 zusätzlich spezielle Mutantenstämme eingesetzt, welche Gendeletionen in den Exopolysaccharid-Synthesegenclustern aufwiesen. Generell war die Nebenproduktbildung beim Stamm P. putida KT2440 im Vergleich zu den Mutantenstämmen höher, unabhängig davon, ob der Organismus mit oder ohne Plasmid betrachtet wurde. Somit ist es sehr wahrscheinlich, dass hauptsächlich Exopolysaccharide als Nebenprodukt gebildet werden. Verschiedene Konstrukte zur Xyloseverwertung wurden in Schüttelkolbenversuchen charakterisiert. In Mischungen verschiedener Zucker kann aus dem Zeitverlauf der Zuckerkonzentrationen abgeleitet werden, dass zunächst Glucose bevorzugt abgebaut wird. Insgesamt wurde eine maximale spezifische Wachstumsrate von 0.62 1/h beobachtet, was etwa dem beobachteten Wachstum bei Kultivierung des Wildtyps entspricht (0.50.7 1/h). Die Charakterisierung der im Rahmen des Projektes entwickelten Stämme zur Rhamnolipidbildung auf Xylose erfolgte zunächst im Schüttelkolben und später im Bioreaktormaßstab. Hier wurde zunächst reine Xylose, als Substrat eingesetzt und später ebenso Hydrolysatfraktionen als exemplarischer Ansatz. Es konnte als wichtiges Ergebnis grundsätzlich gezeigt werden, dass eine Rhamnolipidbildung auf Hydrolysaten möglich ist.

Das übergeordnete Ziel des Verbundvorhabens "Rhamnolipide dritter Generation hergestellt auf Basis von Xylose (3GRL)" war es, die Machbarkeit einer dritten Generation (3G) der biotechnologischen Produktion von Rhamnolipiden (RL) auf Basis von Xylose und verschiedenartiger Zuckerfraktionen der Hydrolyse lignocellulosehaltiger Biomasse zu demonstrieren. Dazu wurde die heterologe Rhamnolipidproduktion in Pseudomonas putida untersucht, welche natürlicherweise keine Xylose-Metabolisierung aufweist. Im Rahmen des Projektes wurden die Optimierung der rekombinanten Rhamnolipidproduktion sowie die Erweiterung bestehender Substratspektren in P. putida mit gentechnischen Methoden adressiert. In diesem Zusammenhang wurden Prozessführungsstrategien im Bioreaktor entwickelt und untersucht, sowie Produktbildung, Nebenproduktbildung und Biomassebildung als wichtige Effizienzparameter charakterisiert. Durch die Erschließung von verhältnismäßig höherwertigen biotechnologischen Produkten wurde das Anwendungsspektrum und die Wirtschaftlichkeit von Verfahren zur Hydrolyse von lignocellulosehaltiger Biomasse exemplarisch gezeigt. Mit den Projektzielen geht eine Steigerung der öffentlichen Akzeptanz von biotechnischen Verfahren durch nachhaltig erzeugte Produkte einher, die glaubwürdig und nachvollziehbar nicht in ethisch problematischer Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion stehen. Dies steht im Gegensatz zur Glucose- oder Stärkeverwertung und stellt eine der entscheidenden bioökonomischen Innovationen in der Strategie dieses Projektes dar.