Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe Ein Projektträger des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft

 

Projektverzeichnis - Details

Verbundvorhaben: ERA-IB 6: Enzymatische Optimierung des Organosolv-Holzaufschlusses mit integrierter Enzymproduktion (2GEnzymes); Teilvorhaben 1: Scale-up und Demonstration in Pilotanlagen

Anschrift
Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische Prozesse CBP
Am Haupttor Bau 1251
06237 Leuna
Kontakt
Dr.-Ing. Katja Patzsch
Tel: +49 3461 43-9104
E-Mail: katja.patzsch@cbp.fraunhofer.de
FKZ
22030415
Anfang
01.06.2016
Ende
31.05.2019
Ergebnisdarstellung
Für die Entwicklung eines Fed-Batch-Fermentationsverfahrens für den Pilotmaßstab war insbesondere die Feststoffzuführung eine Herausforderung. Da die beschaffte Feststoffpumpe leider nicht funktionierte, musste eine halbsterile Zuführung entwickelt werden. Damit konnte ein erfolgreicher Technologietransfer des Verfahrens an das Fraunhofer CBP durchgeführt werden (im 100-L-Maßstab). Danach erfolgte mit der besten Mutante (von DutchDNA) und dem optimierten Protokoll (von UL/SIAB) eine Prozess-Skalierung bis 1-m³. Hierbei wurden jedoch geringere Enzymaktivitäten erreicht als beim Partner UL/SIAB im 40-L-Maßstab (ca. 10 U/mL anstatt bis zu maximal 14 U/mL). Das anschließende Downstream Processing, welches aus den Schritten Biomasseseparation, Mikrofiltration (Abtrennung von größeren Partikeln) und Ultrafiltration zur Enzymkonzentrierung bestand, verlief gut. Dabei traten die größten Verluste (23 %) während der Mikrofiltration auf, was mit Daten der UL übereinstimmt. Am Ende stand eine Cellulase-Lösung (mit 0,5 g/L Benzoesäure Natriumsalz sowie 1% Tween 80 als Stabilisatoren) mit einem Volumen von 46 L und einer Aktivität von 66 U/mL zur Verfügung. Mit der eigens produzierten Enzymlösung wurde die enzymatische Hydrolyse von Buchenholzcellulose untersucht. Die Parameter des bereits etablierten Protokolls am Fraunhofer CBP für die enzymatische Hydrolyse mit kommerziellen Enzymen der Firma Novozymes wurde zunächst an die Penicillium verruculosum (P. v.) Cellulasen adaptiert. Untersucht wurde der Einfluss der Temperatur, des pH-Wertes, der Zeit und der Enzymkonzentration sowie der Vergleich mit der kommerziell erhältlichen CTEC2. Im Labormaßstab generierte die CTEC2 60 % mehr Glukose als die P. v. Cellulasen, wohingegen sie im Pilotmaßstab schlechter war. Mit den P. v. Cellulasen konnten 20 L Hydrolysat mit 477 g/L Glucose und mit CTEC2 16 L mit 328 g/L Glucose produziert werden.
Aufgabenbeschreibung
Das Projekt verfolgt die Entwicklung eines integrierten Prozesses zur Produktion von Zuckern aus Lignocellulose-haltigem Material unter Verwendung von ligninolytischen und cellulolytischen Enzymen. Die Basis dafür bildet das am Fraunhofer CBP etablierte Organosolv-Verfahren zur Fraktionierung von Lignocellulose-haltigem Materialien in Cellulose, Hemicellulose und Lignin. Ein Untersuchungsschwerpunkt dieses Projektes ist die kombinierte Anwendung von ligninolytischen und cellulolytischen Enzymen bei der Zellstoff-Hydrolyse. Damit soll durch partiellen Ligninabbau eine Verringerung von inhibitorischen Effekten des Lignins auf die Cellulasen und somit eine Verbesserung der enzymatischen Hydrolyse des Zellstoffs erzielt werden. Zudem werden eine Verringerung der Enzymkonzentration sowie eine schnellere Konversion des Zellstoffs in Zucker angestrebt. Ein weiterer Aspekt betrifft die Nutzung des Enzymcocktails aus Penicillium verruculosum M28-10 für die Hydrolyse des Zellstoffs aus dem Organosolv-Aufschluss. Der cellulolytische Enzymkomplex dieses Pilzes weist gegenüber kommerziellen Enzympräparaten einen optimalen Gehalt an ß-Glucosidasen und eine relativ hohe Toleranz gegenüber prozessbedingten Inhibitoren auf. Geplant war, die Cellulase-Produktion in den Gesamtprozess der Zuckergewinnung aus holzstämmiger Lignocellulose zu integrieren. Weiterhin war die Skalierung des Fermentationsprozesses für den an der Universität Leipzig (SIAB, DutchDNA) optimierten Produktionsstamm sowie -prozess vorgesehen.

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