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Development of an itaconic acid production process on alternative feedstocks = Entwicklung eines Verfahrens zur Herstellung von Itaconsäure aus alternativen Rohstoffen
2024
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2024
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-03-01
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-04243
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/984806/files/984806.pdf
Einrichtungen
Projekte
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Bioökonomie (frei) ; Itaconsäure (frei) ; Komplexmedien (frei) ; Schüttelkolben (frei) ; Ustilaginaceae (frei) ; Ustilago cynodontis (frei) ; alternative feedstock (frei) ; bioeconomy (frei) ; complex media (frei) ; itaconic acid (frei) ; nachhaltige Rohstoffe (frei) ; scale-up (frei) ; shake flasks (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
Die wirtschaftlichen Nachteile von Bioraffineriekonzepten, im Vergleich zu konventionellen petrochemischen Produktionswegen, behindern deren Etablierung in einer zirkulären Bioökonomie. Bei der mikrobiellen Herstellung von Plattformchemikalien ist die Substratwahl wesentlich für die Gesamtkosten. Die Verwendung von alternativen Rohstoffen aus lokaler Produktion ist daher von zentraler Bedeutung für den Übergang zu einer dezentralen und nachhaltigen Bioökonomie. In der vorliegenden Arbeit wurde ein Produktionsprozess für Itaconsäure entwickelt, in dem alternative Rohstoffe als einzige Kohlenstoffquelle genutzt werden. Hierfür wurden fünf verschiedene Ustilago-Stämme auf Wachstum und Produktion von Itaconsäure in Minimalmedium in Kleinkultursystemen untersucht. U. cynodontis ITA Max pH, ein hochentwickelter Produktionsstamm, wurde im Folgenden verwendet um ein geeignetes alternatives Substrat zu finden. Dabei wurde die biologisch verfügbare Stickstoffkonzentration in Dicksaft und Melasse bestimmt. Auf Grundlage dieser Ergebnisse wurde Dicksaft als Substrat für das folgende Scale-up gewählt. Weiterhin wurde der Produktionsstamm im Hinblick auf Osmotoleranz und Produktinhibition charakterisiert. Ein erfolgreiches Scale-up vom Schüttelkolben in einen 2-Liter-Rührkesselreaktor wurde ohne Einbußen bezüglich Titer oder Ausbeute im Vergleich zu reinen Glukosefermentationen erreicht. Der Prozess wurde hinsichtlich pH-Wert, Stickstoffkonzentration und pH-Stellmittel weiter optimiert, bevor ein weiteres Scale-up in den 150-Liter-Bioreaktor erfolgte. Die Fermentation stellt die Umsetzbarkeit der Itaconsäureproduktion mit alternativem Substrat als einziger Kohlenstoffquelle dar. Insbesondere in der frühen Phase der Bioprozessentwicklung sind Schüttelkolben unverzichtbar. Um die Eignung der verschiedenen Kolbengrößen zu bewerten, wurde eine verfahrenstechnische Analyse der handelsüblichen Schüttelkolben von 50 – 5000 mL durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass keine allgemeingültige Empfehlung für Schüttelparameter gegeben werden kann. Vielmehr hängen diese vom gewählten Produktionsstamm und -verfahren ab. Diese Arbeit beschreibt einen Ansatz zur schnellen und zuverlässigen Prozessentwicklung für Bioraffineriekonzepte und verdeutlicht die Bedeutung der technischen Parameter für die erfolgreiche Implementierung von Schüttelkolben.The establishment of biorefinery concepts is hindered by their economic disadvantages compared to conventional petrochemical production routes. For the production of bulk chemicals via microbial cultivation, substrate costs are a major contributor to the overall costs. Therefore, the use of locally sourced alternative feedstocks is of key importance for the transition towards a decentralized and sustainable bioeconomy. In this thesis, a production process for itaconic acid was developed using alternative feedstocks as sole carbon source. Early-stage process development was conducted in small-scale shaken bioreactors like microtiter plates and shake flasks. In the first part of this work, five different Ustilago strains were screened for their growth and production of itaconic acid on defined media. U. cynodontis ITA Max pH, a highly engineered production strain, was selected to determine the biologically available nitrogen concentration in thick juice and molasses. Based on these findings, thick juice was chosen as feedstock to ensure the necessary nitrogen limitation for itaconic acid production. U. cynodontis ITA Max pH was further characterized regarding osmotolerance and product inhibition. A successful scale-up to a 2-liter stirred tank reactor was accomplished without drawbacks in either titer or yield compared to pure glucose fermentations. The process was then further optimized regarding pH, nitrogen concentration, and pH adjusting agent before being scaled to a 150 L bioreactor. The fermentation shows the proof-of-concept for the scale-up of itaconic acid production with an alternative feedstock as the sole carbon source. Especially early-stage bioprocess development is impossible without shake flasks. To evaluate the suitability of different shake flask sizes, a procedural analysis of the commercially available shake flasks from 50 – 5000 mL was conducted. This analysis showed that no general recommendation for a specific parameter set can be made, which is valid for all cultivations. These rather depend on the chosen production strain and process. This study describes an approach for fast and reliable process development for biorefinery concepts and highlights the importance of engineering parameters for the successful implementation of shake flasks within the process development of these concepts.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT030732235
Interne Identnummern
RWTH-2024-04243
Datensatz-ID: 984806
Beteiligte Länder
Germany
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