Biotechnische 2,3-Butandiol-Produktion aus Birkenholz-Hemicellulose

Viele alltägliche Produkte wie Plastik, Farben, Wasch- und Reinigungsmittel werden aus fossilen Rohstoffen gefertigt. Doch durch die Endlichkeit der fossilen Rohstoffe müssen alternative Einsatzstoffe gefunden werden. Biotechnisches 2,3-Butandiol (2,3-BDO) ist ein geeignetes Ausgangsmaterial für eine Vielzahl an Produkten, unter anderem von 1,3-Butadien und Methylethylketon. Es gibt bereits viele Studien zur biotechnischen Produktion von 2,3-BDO in denen hohe Endtiter und Ausbeuten erreicht werden. In den meisten Studien werden jedoch reine Glucose oder Saccharose als Kohlenstoffquelle eingesetzt. Beide Substrate stehen in Konkurrenz zur Futtermittel- und Lebensmittelindustrie. Aus diesem Grund wird nach alternativen Substraten gesucht. Ein vielversprechendes Substrat stellt Xylose dar, die aus Holz-Hemicellulose hergestellt wird. Doch die biotechnische Umsetzung von Xylose aus Holz-Hemicellulose geht mit Problemen einher. Viele Mikroorganismen sind nicht in der Lage, Xylose effizient zu verwerten und/oder werden durch Nebenprodukte aus dem Hydrolyse-Prozess der Hemicellulose inhibiert. Es wurde ein Screening durchgeführt, in dem nach neuen 2,3-BDO-Produzenten gesucht wurde, die in der Lage sind, Xylose effizient zu verwerten, durch Nebenprodukte aus Holz-Hemicellulose nicht inhibiert werden und zur Risikoklasse 1 gehören. In dem Screening wurde der Stamm Bacillus vallismortis B-14891 als ein vielversprechender Kandidat identifiziert. Soweit bekannt konnte mit dem Stamm der höchste Endtiter an 2,3-Butandiol und Acetoin (Intermediat von 2,3-BDO) in einem Batch-Ansatz mit Glucose erreicht werden, der je mit einem Risikoklasse-1-Mikroorganismus produziert worden ist. Mit Xylose wurde ebenfalls die höchste 2,3-BDO- und Acetoinkonzentration erzielt, hierfür wurde ein Fed-Batch-Verfahren angewendet. Der Stamm ist zudem in der Lage, Xylose aus Holz-Hemicellulose genau so effizient zu verwerten wie reine Xylose. So konnte in einem Batch-Ansatz mit einem Holz-Hemicellulose-Hydrolysat die bisher höchste Produkt-konzentration produziert werden. Neben Xylose und Glucose kann der Stamm noch 13 weitere Substrate zu 2,3-BDO umsetzen. Dabei stellt der Stamm keine hohen Ansprüche an das Medium. Eine Zudosierung von teuren Supplinen wie Hefeextrakt ist nicht notwendig. Mit geeigneten Prozessbedingungen und optimierten Medien könnte sich daher mit B. vallismortis B-14891 erstmals ein wirtschaftlicher biotechnischer Prozess zur Herstellung von 2,3-BDO realisieren lassen.