Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe Ein Projektträger des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft

 

Projektverzeichnis - Details

Entwicklung eines kontinuierlichen Prozesses zur Herstellung von Cellulose-Ethanol auf der Basis von Cellulosom-Hefen

Anschrift
Universität Hohenheim - Fakultät Agrarwissenschaften - Institut für Lebensmittelwissenschaft und Biotechnologie (150) - Fachgebiet Gärungstechnologie (150f)
70599 Stuttgart
Garbenstr. 23
Kontakt
Prof. Dr. Ralf Kölling-Paternoga
Tel: +49 711 459-22310
E-Mail: ralf.koelling@uni-hohenheim.de
FKZ
22025311
Anfang
01.09.2014
Ende
31.10.2018
Aufgabenbeschreibung
Die Umwandlung lignocellulose-haltiger Abfall- und Reststoffe in Bioethanol stellt eine vielversprechende Alternative zur Verwendung stärkehaltiger Substrate dar, da so die Nahrungsmittel-Konkurrenz umgangen werden kann. Die Lignocellulose lässt sich jedoch nur schwer aufschließen, die enzymatische Hydrolyse ist kostspielig und zeitaufwendig, was dazu führt, dass das Verfahren bislang nicht konkurrenzfähig mit der Herstellung von Bioethanol aus stärkehaltigen Rohstoffen ist. Um diese Probleme zu umgehen und das Verfahren wirtschaftlicher zu gestalten, wollen wir einen kontinuierlich arbeitenden "Bioethanol-Reaktor" entwickeln, der ähnlich wie ein Biogas-Reaktor funktioniert, der aber statt Biogas Bioethanol produziert. Voraussetzung für dieses Konzept ist allerdings ein Produktionsorganismus, der den Aufschluss der Lignocellulose und die Umwandlung in Ethanol gleichzeitig bewerkstelligen kann. Unser Ziel ist es daher, einen Hefe-Stamm zu entwickeln, der diese Eigenschaften aufweist. Durch das gleichzeitige Vorhandensein unterschiedlicher cellulolytischer Aktivitäten lassen sich ausgeprägte Synergie-Effekte erzielen. Die Natur hat dieses Problem durch die Erfindung des "Cellulosoms" gelöst, eines 2 MDa großen Multienzym-Komplexes, der bei anaeroben celluloytischen Bakterien vorkommt und in dem eine Vielzahl verschiedener cellulolytischer Aktivitäten gleichzeitig vorhanden ist. Unser Ziel ist es, basierend auf dem Cellulosom von Clostridium thermocellum, ein Minicellulosom in Hefe zu etablieren. Damit sollte die Hefe in die Lage versetzt werden, Lignocellulose-Substrate effizient abzubauen. Die einzelnen Aktivitäten lassen sich dann wie in einem Baukasten-System zusammenstellen und beliebig kombinieren.
Ergebnisdarstellung
Auf dem Weg zu einer Cellulosom-Hefe wurden Cellulosom-Komponenten in Hefe erfolgreich exprimiert. Durch eine gründliche Analyse der Lokalisation der Komponenten wurde gezeigt, dass das System im Prinzip funktioniert. Das Gerüstprotein Scaffoldin CipA und mit ihm assoziierte Cellulase-Enzyme wurden an der Oberfläche der Hefezelle nachgewiesen. Allerdings war der Anteil der außen an der Hefezelle präsentiert wird relativ gering. Hier besteht Optimierungsbedarf. Es erwies sich auch als schwierig, geeignete Exo-Enzyme zu finden. Dabei ist auch die Messung der Enzymaktivität von Exoglucanasen nicht trivial. Um neue, geeignete Cellulase-Aktivtäten zu finden, wurde begonnen, Cellulase-Gene aus verschiedenen Organismen, wie C. thermocellum, T. reesei und C. thermophilum zu isolieren und in unser System einzubauen. Die Analyse dieser Gen-Aktivitäten ist noch im Gange, die abschließende Charakterisierung eines kompletten Minicellulosom-Stamms steht noch aus. Auf der verfahrenstechnischen Seite wurden die einzelnen Prozessschritte zum Aufbau eines kontinuierlichen Bioethanol-Reaktors eingehend untersucht. Schlüsselschritte sind dabei die Vorbehandlung der Biomasse durch Dampfexplosion, die kontinuierliche enzymatische Hydrolyse der Cellulose, die kontinuierliche Fermentation der gebildeten Zucker und die Abtrennung des entstandenen Alkohols durch Stripping. Die Auswirkungen verschiedener Vorbehandlungsmaßnahmen auf Miscanthus, Weizenstroh und Rutenhirse konnten durch Rasterelektronenmikroskopie (REM) direkt sichtbar gemacht werden. In Repeated-batch Hydrolyse-Experimenten und in Fed-batch Fermentations-Experimenten konnte die generelle Machbarkeit eines kontinuierlichen Verfahrens demonstriert werden. Um das Ethanol aus der Maische abzutrennen, wurde ein Strippingverfahren untersucht, dessen Realisierbarkeit sowohl in praktischen Experimenten, als auch durch theoretische Berechnungen und eine Prozesssimulation in ChemCAD gezeigt werden konnte.

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