Nutzung nachwachsender Rohstoffe für die biotechnologische Produktion von Fumarsäure

Fumarsäure (FA) ist eine bedeutende Chemikalie, die in verschiedenen Bereichen der chemischen Industrie Anwendung findet. So wird FA in der Polymerindustrie zur Herstellung von ungesättigten Polyesterharzen verwendet, die heutzutage größtenteils auf Basis von fossilen Rohstoffen produziert werden. Bezüglich einer nachhaltigen biotechnologischen Produktion von FA besteht die Herausforderung in der Entwicklung einer kostengünstigen und robusten Fermentation, die die Bildung von industriell relevanten Endtitern, Produktivitäten und Ausbeuten ermöglicht. 
In dieser Arbeit wurde hierzu mittels des Pilzes Rhizopus arrhizus NRRL 1526, auf Basis von Glucose, eine gezielte Optimierung des Mediums und der Kultivierungsstrategie durchgeführt. Dabei konnten bedeutende Erkenntnisse zur Morphologie-Kontrolle gewonnen und die Produktionseigenschaften optimiert werden. Mittels einer Batch-Strategie wurde im Schüttelkolbenmaßstab ein Endtiter von 86,3 g/L FA, bei einer Ausbeute von 0,67 g/g und 0,60 g/(L∙h) Produktivität erzielt. Durch einen Transfer in einen aktiv begasten 1 L Bioreaktor konnte die Produktivität um 45 % gesteigert werden. Zudem wurde ein Fed-Batch Prozess entwickelt, der eine gekoppelte Zugabe von Glucose und Ammoniumsulfat enthielt. Durch die Verlängerung der Produktionsphase konnte hierbei ein maximaler Endtiter von 195,4 g/L FA realisiert werden. Bei diesem Titer handelt es sich nach aktuellem Wissensstand um die höchste Endkonzentration an FA, die biotechnologisch produziert worden ist.
Um bei der biotechnologischen Produktion von FA, eine direkte Konkurrenz zur Lebensmittelindustrie zu vermeiden, wurde zusätzlich der Einsatz des nachwachsenden Reststoffs Apfeltrester untersucht. Zur Biokonversion der sowohl frei vorliegenden als auch strukturell gebundenen Zucker wurden unterschiedliche Prozessstrategien untersucht und unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten verglichen. Dabei ermöglichte eine zweistufige Extraktion mit Wasser und anschließendes hydraulisches Auspressen des Apfeltresters eine effektive und simple Methode zur Gewinnung einer zuckerhaltigen Flüssigkeit. Diese diente in aufkonzentrierter und aufgereinigter Form als Ausgangssubstrat und ermöglichte bei einer Kultivierung die Produktion von 79,3 g/L FA. Somit konnte in dieser Arbeit erfolgreich ein effektiver biotechnologischer Herstellungsprozess etabliert werden, der die gesamte Wertschöpfungskette abdeckt, ausgehend vom nachwachsenden Reststoff Apfeltrester bis hin zum Endprodukt FA.