Optimierung der biotechnischen Herstellung von 3-Hydroxypropionaldehyd aus Glycerin – Erhöhung der Standzeit und der Produktivität des Biokatalysators Lactobacillus reuteri SD2112 durch den Fängerstoff Carbohydrazid

Krauter, Hendrik

doi:10.24355/dbbs.084-201401281122-0

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Optimierung der biotechnischen Herstellung von 3-Hydroxypropionaldehyd aus Glycerin – Erhöhung der Standzeit und der Produktivität des Biokatalysators Lactobacillus reuteri SD2112 durch den Fängerstoff Carbohydrazid

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3-Hydroxypropionaldehyd (3HPA) dient als Ausgangsstoff für Acrolein, Acrylsäure sowie 3 Hydroxypropionsäure (Herstellung von Biopolymeren und Superabsorbern). 3HPA kann biotechnisch durch die Dehydratisierung von Glycerin mithilfe der B12–abhängigen, sauerstofflabilen Glycerindehydratase produziert werden. Lactobacillus reuteri akkumuliert 3HPA bis zu einer toxischen Konzentration. Dies geht mit einem Aktivitätsverlust einher, der die Umsetzung eines biotechnischen Prozesses aufgrund teurer Produktionskosten, einer minimalen Standzeit und einer geringen Produktivität verhindert. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit sollten die Biomasseanzucht und das biotechnische Verfahren zur 3HPA-Herstellung untersucht und optimiert werden. Durch strikt anaerobe Bedingungen konnte die Inkubationszeit von L. reuteri deutlich reduziert werden. Gleichzeitig wurde damit eine gleichbleibende Biomasseaktivität in der Biotransformation sichergestellt, die Zusammensetzung des MRS-Mediums optimiert und letztlich die Herstellung der Biotrockenmasse (BTM) um das 2,8fache gesteigert. Durch die Zugabe des Fängerstoffs Carbohydrazid , der das toxische 3HPA bindet, wurde die Toxizität deutlich reduziert und die Biokatalysatorstandzeit verlängert. Zudem minimierte Carbohydrazid durch die Bindung von Sauerstoff dessen negativen Einfluss auf die enzymatische Reaktion. Carbohydrazid wurde mindestens in einem äquivalenten Verhältnis zu Glycerin eingesetzt. In einer Repeated-Batch-Biotransformation konnten so LentiKat-Immobilisate mindestens 10 Zyklen lang verwendet werden (33fache Standzeitverbesserung) und 92 g Glycerin zu 67 g 3HPA (kumuliert; 67fache Verbesserung) bei einer Ausbeute von 0,78 g/g (0,90 mol/mol) gegenüber dem theoretischen Maximum von 0,81 g/g (1 mol/mol) umgesetzt werden. In Zellsuspensionsversuchen (7 g BTM/L) wurde in einer Batch-Biotransformation in 14 h 150 g/L 3HPA (2 M) und in einer Fed-Batch-B. in 5 h 107 g/L 3HPA (1,4 M) produziert. Dies entspricht einer Produktivität von 11,3 g/(L h) bzw. 21,6 g/(L h).

3-hydroxypropionaldehyde (3HPA) as raw material for acrolein, acrylic acid as well as 3-hydroxypropionic acid (for the production of biopolymers or superabsorbents) can be produced biotechnologically by the dehydration of glycerol using the B12-containing, oxygen-labile glycerol dehydratase. Lactobacillus reuteri accumulates 3HPA up to a toxic concentration causing cell death. As a result, the implementation in an industrial biotechnological process fails due to expensive production costs of the biocatalyst, an extremely short lifetime and a low productivity. The aim of this thesis was the analysis and optimization of the biomass cultivation and of the biotechnological process for the 3HPA production from glycerol. Strictly anaerobic conditions reduced the incubation time of L. reuteri significantly and ensured a constant biomass activity. Optimized MRS-media enhanced the cell dry weight (CDW) in fed-batch fermentations (2.8 –fold). The addition of the scavenger carbohydrazide minimized the toxic effects of 3HPA and prolonged the biocatalyst lifetime remarkably. Moreover, carbohydrazide prevented due to its oxygen binding capability an oxygen-dependent inhibition of the glycerol dehydratase. A strong relationship between the glycerol concentration and the scavenger concentration was detectable: The scavenger:glycerol ratio had to be at least equivalent. In repeated-batch biotransformations with equimolar use of carbohydrazide, the LentiKat immobilisates could be recycled for at least 10 cycles (33 fold biocatalyst lifetime improvement) and a total of 92 g glycerol was converted to 67 g 3HPA (cumulative, 67 fold improvement). Thereby, a yield of 0.78 g/g (0.90 mol/mol), with respect to a theoretical maximum yield of 0.81 g/g (1 mol/mol), could be achieved. In experiments with resting cells (7 g CDW/L), 150 g/L 3HPA (2 M) were produced in a batch biotransformation and 107 g/L 3HPA (1.4 M) in a fed-batch biotransformation. This equates to a productivity of 11.3 g/(L h) or 21.6 g/(L h), respectively.