Fachagentur Nachwachsende RohstoffeEin Projektträger des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft

 

Verbundvorhaben: ERA-IB 6: Herstellung von Fumarsäure zur Polymeranwendung (FAPA); Teilvorhaben 1: Mikrobielle Konversion

Anschrift
Johann Heinrich von Thünen-Institut Bundesforschungsinstitut für Ländliche Räume, Wald und Fischerei - Institut für Agrartechnologie
Bundesallee 47
38116 Braunschweig
Kontakt
Dr. Ulf Prüße
Tel: +49 531 596-4270
E-Mail schreiben
FKZ
22029515
Anfang
01.04.2016
Ende
31.05.2019
Ergebnisdarstellung
Im FAPA-Projekt wurde die gesamte Wertschöpfungskette der Produktion von Fumarsäure auf Basis der nachwachsenden Rohstoffe Apfeltrester und Orangenschalen, die Entwicklung von speziell adaptierten Enzympräparaten sowie eine Aufreinigung des Endproduktes betrachtet. Es wurde ein Verfahren zur Selektion von Pilzstämmen mit dem geeigneten Enzymspektrum zur Hydrolyse von Apfeltrester und Orangenschalen entwickelt. Für die effektivsten maßgeschneiderten Enzympräparate aus wurden Fermentationsverfahren inklusive Downstream processing entwickelt, hinsichtlich pH- Wert, Temperatur und Endprodukthemmung untersucht sowie ein Verfahren zur PEG-Modifizierung entwickelt. Dieses führte bei der ß-1,3(4)-Glucanase zu einer Erhöhung des Temperaturoptimums um 10°C sowie einer Verschiebung pH-Optimums um 2 Einheiten in den Neutralbereich. Auf Basis von Apfeltrester wurde eine effiziente Prozessstrategie entwickelt und die erhaltene zuckerhaltige Flüssigkeit konnte mit dem Stamm R. arrhizus NRRL 1526 zu 79,3 g/L Fumarsäure, bei einer Ausbeute von 0,54 g/g und einer Gesamtproduktivität von 0,27 g/(L·h) umgesetzt werden. Zur Optimierung der fermentativen Produktion von Fumarsäure mittels R. arrhizus NRRL 1526 wurde Glucose als Kohlenstoff- und Energiequelle verwendet. Neben hoher Reproduzierbarkeit, Verständnis des Konversionsprozesses wurde vor allem mit der hohen erreichten Endkonzentrationen von 195 g/L Fumarsäure im Vergleich zur Literatur der Titer um 44,4 % gesteigert. Weiterhin wurde erfolgreich ein neuer Stamm (SN5) isoliert, der in ersten Versuchen bereits bis zu 93,5 g/L Fumarsäure bildet und auch in der Lage ist Apfeltrester als Substrat zu verwerten. Durch Ausfällreaktionen bei ausreichender Zugabe an HCl und NaOH wurde ein Verfahren der Aufreinigung von der Fumarsäure entwickelt, wodurch hohe Ausbeuten sowie eine Reinheit von über 98 % erreicht wurden.
Aufgabenbeschreibung
Ziel des Projektes FAPA war die Entwicklung eines effizienten und wirtschaftlichen biotechnologischen Prozesses zur fermentativen Herstellung von Fumarsäure aus nachwachsenden Rohstoffen, am Beispiel von Apfeltrester und Orangenschalen. Zurzeit wird Fumarsäure ausschließlich petrochemisch hergestellt und vorrangig in der Polymer- und Lebensmittelindustrie verwendet. In diesem Projekt wurde daher ein effizienter biokatalytischer Weg zur Herstellung von Fumarsäure für Anwendungen in biobasierten Polymeren etabliert. Neben der Eröffnung neuer Nutzungsoptionen für die agrarischen Reststoffe Apfeltrester und Orangenschalen wurden neue Enzyme entwickelt, die für die Hydrolyse dieser Reststoffe besonders geeignet sind. Für die Biokonversion wurden Mikroorganismen mit einer hohen Toleranz gegenüber dem Substrat gescreent, die ein hohes Potenzial bezüglich der Produktion von Fumarsäure aufwiesen. Intelligente und innovative Prozesssteuerung ermöglichte hierbei eine Steigerung der Produktionsleistung hinsichtlich Ausbeute und Produktivität. Außerdem wurde ein effizienter Weg für die Aufreinigung der Fumarsäure aus der Fermentationsbrühe entwickelt.

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