Eine neue Pipeline stellt wertvolle organische Säure aus Pflanzen her - spart Geld und Emissionen.

3. Oktober 2023

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Von Julie Wurth, Universität von Illinois in Urbana-Champaign

In einem Durchbruch für die umweltfreundliche chemische Produktion haben Forscher am Zentrum für fortschrittliche Bioenergie- und Bioproduktinnovationen (CABBI) einen kostengünstigen Weg entwickelt, um Bernsteinsäure, eine wichtige Industriechemikalie, aus Zuckerrohr herzustellen.

Das Team von Forschern der University of Illinois und der Princeton University hat eine kostengünstige End-to-End-Pipeline für diese wertvolle organische Säure geschaffen, indem es eine widerstandsfähige, säuretolerante Hefe als Gärungsmittel entwickelt hat und teure Schritte in der nachfolgenden Verarbeitung vermieden hat. Bernsteinsäure wird häufig als Zusatzstoff für Lebensmittel und Getränke verwendet und hat vielfältige Anwendungen in der Landwirtschaft und in pharmazeutischen Produkten.

Dieselbe Pipeline kann verwendet werden, um andere industriell wichtige organische Säuren herzustellen, die von CABBI in seiner Arbeit zur Entwicklung nachhaltiger Biokraftstoffe und Biochemikalien aus Pflanzen angestrebt werden, sagte Mitautor Huimin Zhao, Leiter des Konversionsteams von CABBI und Professor für Chemie- und Biomolekulartechnik (ChBE) an der Illinois. Um die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern, setzen Konversionsforscher Mikroorganismen ein, um Pflanzenbiomasse in Chemikalien umzuwandeln, die in Alltagsprodukten als Alternative zur konventionellen petroleumbasierten Produktion verwendet werden.

"Dies wird als Vorbild für alle anderen Stoffwechsel-Ingenieurwesen-Produkte in CABBI dienen", sagte Zhao, einer der Hauptermittler von CABBI bei diesem Projekt.

Die Studie ist in Nature Communications veröffentlicht worden und baut auf jahrelanger Forschung zur Bernsteinsäureproduktion von Zhao und seinen Kollegen mit Hilfe von Issatchenkia orientalis, einer unkonventionellen Hefe, die ideal zur Herstellung von organischen Säuren geeignet ist, auf.

I. orientalis hat die einzigartige Fähigkeit, unter niedrigem pH-Wert oder sauren Bedingungen zu gedeihen. Die meisten Organismen benötigen eine neutrale pH-Umgebung zum Überleben, einschließlich Saccharomyces cerevisiae, einer konventionelleren Hefe, oder Escherichia coli Bakterien. Beide wurden von Unternehmen und Labors zur Herstellung von Bernsteinsäure eingesetzt, erwiesen sich jedoch als zu teuer, sodass Bemühungen zur Aufskalierung der Produktion gescheitert sind, sagte Zhao.

Diese Mikroorganismen erfordern die Zugabe einer Base, um die giftigen sauren Bedingungen zu neutralisieren, damit sie weiterhin Bernsteinsäure herstellen können. Dadurch entstehen Nebenprodukte wie Gips oder Calciumsulfat, die am Ende der Pipeline abgetrennt werden müssen, um das Produkt zu reinigen und die Kosten für die nachfolgende Verarbeitung zu erhöhen.

"Ein Engpass bei der Produktion von organischen Säuren ist die Trennkosten", sagte Zhao. "Wir müssen viel Base hinzufügen, um den pH-Wert nahezu neutral zu halten, zwischen 6 und 7".

Mit I. orientalis ist jedoch „der Organismus bei einem pH-Wert von 3 bis 4 glücklich“, sodass die Zusatzstoffe nicht erforderlich sind, sagte Zhao. "Am Ende reduziert das die Kosten erheblich".

Die CABBI-Forscher haben auch umfangreiches Stoffwechselingenieurwesen betrieben, um I. orientalis umzuschalten, um robuste Mengen an Bernsteinsäure zu produzieren - höher als S. cerevisiae oder E. coli, sagte er. Mit Hilfe der Stoffwechselflussanalyse aus dem Labor von Rabinowitz identifizierten sie die Schritte im Stoffwechsel der Hefe, die die Produktion von Bernsteinsäure begrenzten. Ein wesentliches Hindernis: Die native I. orientalis kann den Saccharosegehalt in Zuckerrohr nicht nutzen. Daher wurde ein Enzym hinzugefügt, das die Saccharose aus dem Zuckerrohrsaft in Glukose und Fruktose zur Herstellung von Bernsteinsäure aufspalten konnte. Es wurden auch andere Gene eingeführt, um Bernsteinsäure überzuproduzieren.

In Zusammenarbeit mit Singhs Gruppe am IBRL haben die Forscher dann die Produktion von Bernsteinsäure in industriell relevantem Maßstab skaliert, um eine End-to-End-Integration des Prozesses durchzuführen. Die Pilotmaßstabsarbeiten zeigten, dass die neuen Stämme bis zu 110 g/L Bernsteinsäure produzieren konnten und nach Chargenfermentation und nachfolgender Verarbeitung einen Gesamtertrag von 64 % erzielten - beeindruckende Ergebnisse mit kommerzieller Bedeutung, sagte Singh.

Die Kombination aus höheren Produktionsmengen durch Gentechnik und geringeren Kosten durch die Beseitigung der nachfolgenden Trennung macht den Prozess "sehr attraktiv", sagte Zhao. "Deshalb ist die Pipeline zumindest in diesem Pilotmaßstab so wirtschaftlich".

Der letzte Schritt bestand darin, mit Guest zusammenzuarbeiten, um eine vollständige, end-to-end, nieder-pH-Wert-Bernsteinsäure-Produktionspipeline zu simulieren, unter Verwendung der Open-Source-Softwareplattform BioSTEAM, die von seiner Gruppe entwickelt wurde. Die technisch-wirtschaftliche Analyse (TEA) und die Lebenszyklus-Bewertung zeigten, dass der Prozess finanziell tragfähig war und die Treibhausgasemissionen im Vergleich zur fossilbasierten Produktion um 34% bis 90% reduzieren könnte.

'These advancements in metabolic engineering could have large-scale benefits, simultaneously driving down costs and environmental impacts in support of a circular bioeconomy,' Guest said.

The process emits less carbon dioxide (CO2) than conventional petroleum-based chemical processing. Plants like sugarcane also soak up carbon, and CO2 can be used as a substrate for the process, further reducing its carbon footprint.

'It's definitely more environmentally friendly. That's the premise for all the research in CABBI: using renewable resources to make chemicals and fuels,' Zhao said.

Researchers plan further scale-up studies soon to support commercialization of the succinic acid production process.

The work will also be a template for production of other CABBI products using I. orientalis, including 3-hydroxypropionic acid (3-HP). The market for 3-HP, used in components of disposable diapers and sealants, exceeds $1 billion, and research to date shows huge promise, Zhao said.

'We expect I. orientalis can serve as a general industrial platform for the production of a wide variety of organic acids,' said Vinh Tran, primary author on the paper and a Ph.D. student in ChBE.

The project involved several lab groups and contributions from all three themes of CABBI's research—using sugarcane juice from the Feedstock Production research team, metabolic research and bioprocessing facilities from the Conversion team, and economic and environmental analysis from the Sustainability team.

Co-authors included CABBI researchers Sarang Bhagwat of CEE and Yihui Shen of the Department of Chemistry at Princeton; Somesh Mishra of ABE; Saman Shafaei, Shih-I Tan, Zia Fatma, and Benjamin Crosly of ChBE; and Jayne Allen of CEE.

Provided by University of Illinois at Urbana-Champaign