dc.description.abstract
In Österreich kann der Großteil der ausgestoßenen Treibhausgase wie z.B. CO2 auf den Energie- und Industriesektor zurückgeführt werden. Die Vision einer CO2-neutralen Zukunft wird daher nur möglich sein, wenn die signifikante Reduktion der CO2 Emissionen in Kombination mit dem Übergang zu grüneren Energiequellen umgesetzt wird. CO2 als Substrat für mikrobielle Prozesse zu verwenden ist daher eine Möglichkeit, globale Kohlenstoffkreise zu schließen und eine Kreislaufwirtschaft zu etablieren.Das Ziel dieser Arbeit war, die Realisierbarkeit eines zweistufigen Prozesses zur CO2 Fixierung und Produktion einer Treibstoffchemikalie zu zeigen. Im ersten Schritt wird CO2 in einem industriellen Abgasstrom fixiert und mit dem acetogenen Mikroorganismus Acetobacterium woodii in Acetat umgewandelt. Dieses Zwischenprodukt wird dann in eine zweite Stufe überführt, wo ein rekombinanter Escherichia coli Stamm die Treibstoffchemikalien 2,3-Butandiol bzw. Isobutanol produziert. In Bezug auf die Massenbilanz des Gesamtprozesses sollte daher eine netto CO2 Fixierung über beide Stufen erreicht werden, während eine Treibstoffchemikalie aus CO2 über Acetat produziert werden sollte. Die Herausforderung für die Entwicklung eines solchen Prozesses liegt in mehreren Faktoren: (i) Komponenten des Industrieabgases, welche die CO2 Fixierung und Wachstum behindern können, (ii) die Toxizität von Acetat, (iii) die niedrige Energiedichte von Acetat und (iv) dass 2,3-Butandiol und Isobutanol nicht natürlich in E. coli produziert werden. Um diese Einflussfaktoren zu evaluieren, wurde in dieser Arbeit jeder Prozessschritt einzeln betrachtet und untersucht.Industrielles Gichtgas enthält signifikante Mengen an CO und CO2, es fehlt jedoch H2, der als Energiequelle für die CO2 Fixierung in A. woodii dient. Die CO2 Fixierung im Industrieabgas wird zusätzlich dadurch erschwert, dass CO toxisch ist und das Wachstum von A. woodii inhibiert. Es wurde daher die Strategie gewählt, das Gichtgas mit H2 als Energiequelle zu mischen und einen Prozess zu etablieren, wo CO im Flüssigmedium limitiert ist. Unter CO limitierten Bedingungen zeigten Daten aus dem Fließgleichgewicht eine gleichzeitige Verwertung von CO, CO2 und H2 und eine Acetat Produktivität von 14 mmol l-1 h-1. Das Mischen von Gichtgas und H2 ermöglichte nicht nur CO2 Fixierung im Industrieabgas, sondern es zeigte sich, dass das Mischungsverhältnis von Gichtgas zu H2 die Gasaufnahme, metabolische Flüsse und die Acetatproduktion beeinflusste und daher eine mögliche Kontrollstrategie für Gasfermentationen darstellt.Die Assimilation von Acetat in der zweiten Prozessstufe wird durch dessen Toxizität als schwache Säure behindert, was die Wichtigkeit der Wahl eines geeigneten Wirtes hervorhebt. Die Hypothese war, dass der robuste und stress tolerante E. coli W ein vielversprechender Kandidat für die Acetatverwertung und Umwandlung in eine Chemikalie wäre. Neben der Toxizität hat Acetat im Vergleich zu Zuckern auch eine geringere Energiedichte. Daher wurde die Acetatassimilation sowohl in Batch als auch in kontinuierlichen Kulturen untersucht. Acetat lag dabei entweder als einzige Kohlenstoffquelle oder zusammen mit Glucose vor, um die Energieverfügbarkeit zu erhöhen. Die Überexpression von Acetyl-CoA Synthetase, eines zweier Enzyme für die Acetatassimilation, verbesserte die Acetataufnahme sowie die gleichzeitige Verwertung mit Glucose im Batch. DieviiiEignung von E. coli W als effizienter Wirt für die Acetatverwertung wurde durch hohe Aufnahmeraten im Batch und kontinuierlichen Prozess bewiesen.Isobutanol wird von E. coli nicht natürlich produziert und rekombinante Produktion wurde in dieser Arbeit durch systematische Stammentwicklung, im Konkreten durch Untersuchung verschiedener Expressionsvektoren sowie Auswahl eines geeigneten Wirts, E. coli W, erreicht. Durch Einbeziehung der chemischen Eigenschaften von Isobutanol wurde ein Produktionsprozess entwickelt, der die effiziente Verwertung von sowohl Glucose im definierten Medium als auch dem Abfallstoff Molke ermöglichte, wobei hier eine finale Isobutanol Konzentration von 20 g l-1 erreicht werden konnte. Niedrige Produktausbeuten in Kombination mit der Flüchtigkeit von Isobutanol verhinderten jedoch eine weitere Entwicklung der Isobutanolproduktion aus Acetat. Es wurde daher die 2,3-Butandiolproduktion als Plattform herangezogen, um Wissen zur Produktion einer Chemikalie aus Acetat zu generieren. Es wurde ein chemisch definiertes Medium entwickelt, dass es erlaubte einen Prozess zu etablieren, wo Acetat als einzige Kohlenstoffquelle zur Produktion von 1.16 g l-1 Diolen (Acetoin und 2,3-Butandiol) führte.Diese Arbeit zeigte daher die Realisierbarkeit der netto CO2 Fixierung zur Produktion einer Treibstoffchemikalie in einem neuen zweistufigen Prozess. Die zeitaufgelöste Charakterisierung von physiologischen Parametern zusammen mit rationalem Prozess- und Screeningdesign erlaubten es Wissen über Acetatproduktion aus einem Industrieabgas sowie Acetatassimilation für mikrobielle Produktion zu generieren. Während Stammauswahl und -engineering ein wesentlicher Erfolgsfaktor für die Aufwertung von Acetat sowie die Umwandlung in eine Treibstoffchemikalie waren, diente die Quantifizierung im physiologischen Gleichgewicht, sowie dynamische Veränderungen dazu, limitierende Faktoren zu bestimmen. Aufgrund seiner flexiblen Eigenschaften kann die Plattformtechnologie, die in dieser Arbeit etabliert wurde, einen wichtigen Grundstein für die weitere industrielle CO2 Fixierung legen. Das Mischen zweier unabhängiger Gasströme kann als allgemeine Strategie zur Einstellung von Gas Zusammensetzungen für die CO2 Fixierung dienen und damit die Reduktion von industriellen CO2 Emissionen ermöglichen. In gleicher Weise haben die präsentierten Strategien für die Aufwertung der alternativen Rohstoffquelle Acetat Potenzial für die Etablierung einer Kreislaufwirtschaft am Weg zu einer CO2 neutralen Zukunft.
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