Producing methyl ketones in integrated bioprocesses

Grütering, Carolin; Jupke, Andreas; Blank, Lars M.

doi:HT030790954

Producing methyl ketones in integrated bioprocesses

Grütering, Carolin^RWTH*

2024

VerantwortlichkeitsangabeCarolin Grütering

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : Apprimus Verlag 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ISBN978-3-98555-221-4

ReiheApplied microbiology ; 34

Dissertation, RWTH Aachen University, 2024

Druckausgabe: 2024. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Blank, Lars M. (Thesis advisor)^RWTH* ; Jupke, Andreas (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-04-30

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-05867
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/987836/files/987836.pdf

Einrichtungen

Projekte

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Pseudomonas (frei) ; bioprocesses (frei) ; methyl ketones (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Kurz- und mittelkettige Methylketone wie 2-Butanon und 2-Undecanon sind wichtige Grundchemikalien, die derzeit aus petrochemischen Ressourcen hergestellt werden. Bislang gibt es nur limitierte Kenntnisse zur Herstellung dieser Methylketone in nachhaltigen Bioprozessen im Rahmen einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft.In dieser Arbeit werden integrierte Bioprozesse für die Produktion von Methylketonen unter Verwendung gentechnisch veränderter Mikroorganismen aufgezeigt. Methylketone mit einer Kettenlänge von C11 bis C17 wurden von gentechnisch veränderten Pseudomonas taiwanensis VLB120 mit in situ Produktextraktion unter Zugabe eines organischen Lösungsmittels zum Kultivierungsmedium hergestellt. Das gewählte Lösungsmittel kann wichtige Prozessparameter entscheidend beeinflussen.Das Lösungsmittel für die in situ Extraktion von Methylketonen wurde jedoch bisher nicht untersucht, und eine der größten Herausforderungen der in situ Flüssig-Flüssig-Extraktion, die Bildung stabiler Emulsionen, ist noch ungelöst. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde eine umfassende Untersuchung des organischen Lösungsmittels für diein situ Extraktion von Methylketonen und die anschließende Rückgewinnung der organischen Phase beschrieben. In einem hierarchischen Lösungsmittelscreening fanden wir 2-Undecanon als Lösungsmittel, das biokompatibel, nicht biologisch abbaubar, und sicher ist. In einem neuartigen Bioreaktor, dem multiphase loop reactor,wurde außerdem die Bildung stabiler Emulsionen erfolgreich umgangen. Die organische Phase konnte durch Dekantieren in einer Koaleszenzeinheit zurückgewonnen werden. Anschließende Experimente, zum Beispiel in einem Einzylinderforschungsmotor, zeigten die Eignung des Methylketongemischs als nachhaltiger drop-in Biokraftstoff. In einem nächsten Schritt wurde die Kohlenstoffquelle, die in die C11- bis C17-Methylketone umgewandelt wird, und die damit verbundenen Fütterungsstrategien untersucht. Durch ein in silico screening unter Verwendung eines genomskaligen Modells des Produktionsstamms wurde Ethanol als Kohlenstoffquelle gefunden, die durch co-feeding eine höhere Produktausbeute ermöglicht. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass die Methylketonproduktion mit Lignocellulosehydrolysaten möglich ist. Insbesondere war auch der Einsatz der Hemicellulosefraktion mit Xylose als Kohlenstoffquelle und Inhibitoren wie Furfural und Vanillin möglich.Auch für die Herstellung der C4 Methylketone Acetoin und 2-Butanon wurde ein integrierter Bioprozess entwickelt. Acetoin wurde von ruhenden Lactococcus lactis mit Produktausbeuten nahe dem theoretischen Maximum produziert. Der Puffer der ruhenden Zellen wurde auf die Anforderungen einer anschließenden elektrokatalytischen Reduktion zugeschnitten, bei der das biotechnologisch hergestellte Acetoin in 2-Butanon umgewandelt wird. In dieser Arbeit wurden die Bioprozesse ganzheitlich entwickelt und verbessert. Diebiotechnologischen Methoden wurden in die vor- und nachgelagerten Prozessschritte integriert und über ihre isolierten Leistungskennzahlen hinaus optimiert.

Short- and medium-chain length methyl ketones such as 2-butanone and 2-undecanone are important commodity chemicals that are currently produced from petrochemical resources. To date, there is only limited research regarding the biotechnological production and purification of those methyl ketones in the scope of acircular bioeconomy. This work elucidates integrated bioprocesses for the production of methyl ketones using genetically modified microorganisms. Methyl ketones with a chain length of C11 to C17 are produced by genetically modified Pseudomonas taiwanensis VLB120 in a bioprocess with addition of an organic solvent to the cultivation medium for in situ liquid-liquid product extraction. The applied organicsolvent can decisively influence important process parameters. However, the type ofsolvent for in situ extraction of methyl ketones was not investigated so far, and one ofthe major challenges of in situ liquid-liquid extraction, the formation of stable emulsions, is still unsolved. This work describes an in-depth investigation of theorganic solvent for in situ product extraction of methyl ketones and the subsequent recovery of the organic phase. By performing a hierarchical solvent screening, wefound 2-undecanone as a solvent that is biocompatible, non-biodegradable, and safe.With 2-undecanone as a solvent in an advanced bioreactor setup, the multiphase loopreactor, formation of stable emulsions was successfully circumvented. Here,countercurrent liquid-liquid extraction occurred in a downcomer compartment, and theorganic phase could be recovered by decantation in a coalescing unit. Subsequentexaminations highlighted the methyl ketone blend's potential as a drop-in diesel fuel replacement. Investigations in, e.g., a single-cylinder research engine demonstrated efficient and clean combustion with little NOx and soot emissions.As a next step, the carbon sources that are converted to the C11 to C17 methyl ketonesand the associated feeding strategies were investigated. By an in silico screening approach using a genome-scale metabolic model of the production host, ethanol wasfound as a co-feed carbon source that enabled superior product yields. Additionally, methyl ketone production was shown to be possible by utilizing lignocellulosichydrolysates. Notably, also the hemicellulosic fraction that contains xylose as a carbonsource and inhibitors such as furfural and vanillin was converted to methyl ketones. A bioprocess cascade was also developed for the production of C4 methyl ketonesacetoin and 2-butanone. Acetoin was produced by resting cells of Lactococcus lactisat product yields close to the the oretical maximum. The resting cell buffer was tailored to meet the requirements of an ensuing electrocatalytic reduction, transforming biotechnologically produced acetoin into 2-butanone. Concluding, the bioprocesses for the biotechnological production of methyl ketoneswere developed and improved in a holistic manner. Biotechnological methods were integrated into the preceding and consecutive process steps and optimized beyond their isolated figures of merit.

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