2,3-Butanediol Production with GRAS Microorganisms  – Screening, Cultivation, Optimization and Scale-Up –

Jurchescu, Ileana-Maria

doi:10.24355/dbbs.084-201405281100-0

Published

2,3-Butanediol Production with GRAS Microorganisms – Screening, Cultivation, Optimization and Scale-Up –

English
German

The objective of the present PhD thesis was the development of an efficient fermentative process for 2,3-butanediol (2,3-BD) production from wood hydrolysates using non-pathogenic microorganisms. In a first step, suitable non-pathogenic strains from different sources were screened for their potential to produce 2,3-BD and a strain improvement by random mutagenesis (UV light) was attempted. The best results were obtained with Paenibacillus polymyxa ATCC 12321 and Bacillus licheniformis DSM 8785. In the shake flask scale batch cultivations were carried out and optimized conditions were found with regard to the following parameters: C-/N-source and concentration, temperature, shaking rate, use of free/immobilized cells. Using the fed-batch cultivation mode and a stepwise addition of nutrients, 2,3-BD production could be increased up to 63.3 g/L (P. polymyxa) and 144.7 g/L (B. licheniformis). Cultivation results were similar on glucose medium, natural and artificial wood hydrolysates. Low amounts of the potential inhibitory compounds present in natural wood hydrolysates showed no negative effect on 2,3-BD production, while higher concentrations led to inhibiting effects. A scale-up to the 3.5 L bioreactor scale was carried out and optimal conditions for temperature, stirring speed and aeration rate were found. For P. polymyxa, an increase in productivity could be obtained using forced pH fluctuations. For B. licheniformis, 2,3-BD synthesis could be increased up to 78.9 g/L (batch) and 127.4 g/L (fed-batch) using 180 g/L initial glucose and 37°C. A successful scale-up to the 45 L bioreactor scale was obtained using the impeller tip speed as scale-up criterion, yielding up to 65.1 g/L 2,3-BD from 154 g/L glucose. The obtained results are the highest 2,3-BD concentrations reported so far using GRAS microorganisms and lie in the same range with data described for risk group 2 strains. B. licheniformis DSM 8785 is a suitable candidate for large scale 2,3-BD production processes.

Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung eines effizienten fermentativen Prozesses für die 2,3-Butandiol (2,3-BD) Bildung aus Holzhydrolysaten unter Einsatz nicht-pathogener Mikroorganismen. Die erste Aufgabe war das Screening nach geeigneten nicht-pathogenen Mikroorganismen aus unterschiedlichen Quellen und deren Untersuchung hinsichtlich 2,3-BD Bildung. Die besten Ergebnisse wurden mit Paenibacillus polymyxa ATCC 12321 und Bacillus licheniformis DSM 8785 erzielt. Während Batch-Kultivierungen im Schüttelkolbenmaßstab wurden Optimierungen hinsichtlich folgender Parameter vorgenommen: C-/N-Quelle und Konzentration, Schüttelgeschwindigkeit, Temperatur, Einsatz von freien/immobilisierten Zellen. Die 2,3-BD Produktion konnte durch Fed-Batch-Kultivierungen mit schrittweise Zugabe von Nährstoffen auf 63.3 g/L (P. polymyxa) bzw. 144.7 g/L (B. licheniformis) erhöht werden. Kultivierungen auf Glucose bzw. natürlichem/künstlichem Holzhydrolysat wiesen ähnliche Ergebnisse auf. Niedrige Mengen der Hemmstoffe zeigten keinen negativen Einfluss auf die 2,3-BD Produktion, während höhere Konzentrationen zu inhibierenden Effekten führten. Bei dem Scale-up der 2,3-BD Produktion zum 3,5 L Bioreaktormaßstab wurden optimale Bedingungen für Temperatur, Rührergeschwindigkeit und Belüftungsrate gesucht. Durch den Einsatz erzwungener pH-Shifts konnte ein Anstieg der Produktivität für P. polymyxa erreicht werden. Mit B. licheniformis wurden bis zu 78,9 g/L 2,3-BD (Batch) und 127,4 g/L (Fed-Batch) von 180 g/L Glucose bei 37°C erzielt. Unter Verwendung der Rührerspitzengeschwindigkeit als Scale-up Kriterium konnte ein gelungenes Scale-up zum 45 L Bioreaktormaßstab durchgeführt werden und die 2,3-BD Produktion konnte auf 65,1 g/L erhöht werden. Die Ergebnisse weisen die höchsten 2,3-BD Konzentrationen auf, die bisher mit GRAS Mikroorganismen erzielt wurden und in der Größenordnung der Risikoklasse 2 Stämme liegen. B. licheniformis DSM 8785 ist für die 2,3-BD Produktion im großen Maßstab geeignet.