Neue Pipeline stellt aus Pflanzen wertvolle organische Säure her – das spart Geld und Emissionen

Als Durchbruch für eine umweltfreundliche chemische Produktion haben Forscher am Center for Advanced Bioenergy and Bioproducts Innovation (CABBI) eine wirtschaftliche Methode zur Herstellung von Bernsteinsäure, einer wichtigen Industriechemikalie, aus Zuckerrohr entwickelt.

Das Team aus Forschern der University of Illinois und der Princeton University schuf eine kostengünstige End-to-End-Pipeline für diese wertvolle organische Säure, indem es eine robuste, säuretolerante Hefe als Fermentationsmittel entwickelte und so kostspielige Schritte in der nachgelagerten Verarbeitung vermied. Bernsteinsäure ist ein weit verbreiteter Zusatzstoff für Lebensmittel und Getränke und findet vielfältige Anwendung in landwirtschaftlichen und pharmazeutischen Produkten.

Dieselbe Pipeline könne zur Herstellung anderer industriell wichtiger organischer Säuren genutzt werden, auf die CABBI bei seiner Arbeit zur Entwicklung nachhaltiger Biokraftstoffe und Biochemikalien aus Nutzpflanzen abzielt, sagte Co-Autor Huimin Zhao, CABBIs Konversionsthemenleiter und Professor für Chemie- und Biomolekulartechnik (ChBE). Illinois. Um die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern, setzen Konversionsforscher Mikroben ein, um pflanzliche Biomasse in Chemikalien umzuwandeln, die in Alltagsprodukten als Alternative zur herkömmlichen erdölbasierten Produktion verwendet werden.

„Dies wird als Blaupause für alle anderen Metabolic-Engineering-Produkte in CABBI dienen“, sagte Zhao, einer von mehreren CABBI-Hauptforschern des Projekts.

Die Studie ist veröffentlicht in Naturkommunikationund die Arbeit baut auf jahrelangen Forschungen zur Bernsteinsäureproduktion durch Zhao und seine Kollegen unter Verwendung von Issatchenkia orientalis auf, einer unkonventionellen Hefe, die sich ideal für die Herstellung organischer Säuren eignet.

I. orientalis hat die einzigartige Fähigkeit, unter Bedingungen mit niedrigem pH-Wert oder sauren Bedingungen zu gedeihen. Die meisten Organismen benötigen zum Überleben eine Umgebung mit neutralem pH-Wert, darunter Saccharomyces cerevisiae, eine konventionellere Hefe, oder Escherichia coli-Bakterien. Beide wurden von Unternehmen und Laboren zur Herstellung von Bernsteinsäure verwendet, erwiesen sich jedoch als zu kostspielig, sodass Versuche, die Produktion zu steigern, gescheitert seien, sagte Zhao.

Diese Mikroorganismen benötigen die Zugabe einer Base, um die giftigen sauren Bedingungen zu neutralisieren, damit sie weiterhin Bernsteinsäure herstellen können. Dabei entstehen jedoch Nebenprodukte wie Gips oder Kalziumsulfat, die am Ende der Pipeline zur Reinigung des Produkts abgetrennt werden müssen, was die Kosten für die Weiterverarbeitung in die Höhe treibt.

„Einer der Engpässe bei der Produktion organischer Säuren sind die Trennungskosten“, sagte Zhao. „Wir müssen viel Base hinzufügen, um den pH-Wert nahezu neutral zu halten, zwischen 6 und 7.“

Bei I. orientalis hingegen „lebt der Organismus glücklich bei einem pH-Wert von 3 bis 4“, sodass die Zusatzstoffe nicht erforderlich sind, sagte Zhao. „Das senkt am Ende die Kosten deutlich.“

Die CABBI-Forscher führten außerdem umfangreiche metabolische Eingriffe durch, um I. orientalis so umzuverdrahten, dass er robuste Bernsteinsäurespiegel produziert – höher als entweder S. cerevisiae oder E. coli, sagte er. Mithilfe der Stoffwechselflussanalyse aus Rabinowitz‘ Labor identifizierten sie die Schritte im Stoffwechsel der Hefe, die die Produktion von Bernsteinsäure einschränkten. Ein wesentliches Hindernis: Einheimische I. orientalis können die Saccharose aus Zuckerrohr nicht verwerten. Daher wurde ein Enzym hinzugefügt, das Saccharose aus dem Zuckerrohrsaft in Glucose und Fructose spalten konnte, um Bernsteinsäure herzustellen. Andere Gene wurden eingeführt, um Bernsteinsäure zu überproduzieren.

In Zusammenarbeit mit Singhs Gruppe am IBRL steigerte das Team dann die Bernsteinsäureproduktion mithilfe industriell relevanter Geräte, um eine End-to-End-Integration des Prozesses durchzuführen. Die Arbeit im Pilotmaßstab zeigte, dass die neuen Stämme bis zu 110 g/L Bernsteinsäure und nach Batch-Fermentation und Weiterverarbeitung eine Gesamtausbeute von 64 % produzieren können – beeindruckende Ergebnisse mit kommerzieller Bedeutung, sagte Singh.

Die Kombination aus höheren Produktionsmengen durch Gentechnik und geringeren Kosten durch den Wegfall der nachgeschalteten Trennung mache das Verfahren „sehr attraktiv“, sagte Zhao. „Deshalb ist die Pipeline zumindest im Pilotmaßstab so wirtschaftlich.“

Der letzte Schritt bestand darin, mit Guest zusammenzuarbeiten, um mithilfe der Open-Source-Softwareplattform eine vollständige End-to-End-Produktionspipeline für Bernsteinsäure mit niedrigem pH-Wert zu simulieren BioSTEAM von seiner Gruppe entwickelt. Die technisch-ökonomische Analyse (TEA) und die Lebenszyklusanalyse zeigten, dass das Verfahren finanziell rentabel ist und die Treibhausgasemissionen im Vergleich zu Produktionsverfahren auf der Basis fossiler Brennstoffe um 34 % bis 90 % reduzieren könnte.

„Diese Fortschritte im Metabolic Engineering könnten große Vorteile haben und gleichzeitig die Kosten und die Umweltauswirkungen senken, um eine zirkuläre Bioökonomie zu unterstützen“, sagte Guest.

Der Prozess stößt weniger Kohlendioxid (CO2) aus als die herkömmliche chemische Verarbeitung auf Erdölbasis. Auch Pflanzen wie Zuckerrohr nehmen Kohlenstoff auf, und CO2 kann als Substrat für den Prozess verwendet werden, wodurch sich der CO2-Fußabdruck weiter verringert.

„Es ist definitiv umweltfreundlicher. Das ist die Prämisse für die gesamte Forschung in CABBI: Nutzung erneuerbarer Ressourcen zur Herstellung von Chemikalien und Kraftstoffen“, sagte Zhao.

Forscher planen bald weitere Scale-up-Studien, um die Kommerzialisierung des Bernsteinsäure-Produktionsprozesses zu unterstützen.

Die Arbeit wird auch als Vorlage für die Herstellung anderer CABBI-Produkte unter Verwendung von I. orientalis dienen, einschließlich 3-Hydroxypropionsäure (3-HP). Der Markt für 3-HP, das in Komponenten von Wegwerfwindeln und Dichtmitteln verwendet wird, beläuft sich auf über 1 Milliarde US-Dollar, und die bisherigen Untersuchungen zeigen großes Versprechen, sagte Zhao.

„Wir gehen davon aus, dass I. orientalis als allgemeine industrielle Plattform für die Produktion einer Vielzahl organischer Säuren dienen kann“, sagte Vinh Tran, Hauptautor des Papiers und Doktorand. Student in ChBE.

Das Projekt umfasste mehrere Laborgruppen und Beiträge aus allen drei Themen der CABBI-Forschung – unter Verwendung von Zuckerrohrsaft vom Forschungsteam „Rohstoffproduktion“, Stoffwechselforschungs- und Bioverarbeitungsanlagen vom Konversionsteam sowie Wirtschafts- und Umweltanalysen vom Nachhaltigkeitsteam.

Zu den Co-Autoren gehörten die CABBI-Forscher Sarang Bhagwat von CEE und Yihui Shen vom Department of Chemistry in Princeton; Somesh Mishra von ABE; Saman Shafaei, Shih-I Tan, Zia Fatma und Benjamin Crosly von ChBE; und Jayne Allen von CEE.