Biotechnologische Itaconsäureproduktion

Hintergrund und Zielsetzung

Itaconsäure wird biotechnologisch mit dem Pilz Aspergillus terreus aus Zuckern hergestellt. Obwohl dieser Prozess schon über 50 Jahre industriell durchgeführt wird, liegen die erreichbaren Konzentrationen mit 90 g/L deutlich unter denen von vergleichbaren Prozessen wie der Citronensäureherstellung. Eine kostengünstige biotechnische Herstellung von Itaconsäure wird hauptsächlich limitiert durch geringe Produktendkonzentrationen, niedrige Produktivitäten und geringe Ausbeuten. Das Hauptziel der aktuellen Arbeiten besteht darin, durch intelligente innovative Strategien eine Prozessoptimierung der biotechnischen Itaconsäure Produktion durchzuführen.

Vorgehensweise

Zur effizienten Optimierung der Medienzusammensetzung haben wir zunächst eine Verkleinerung des Produktionsmaßstabes in den µL-Bereich durchgeführt. Neben der anschließenden Medienoptimierung wurden weitere Parameter in Bioreaktoren variiert.

Daten und Methoden

Eine Verkleinerung des Maßstabes wurde in Mikrotiterplatten durchgeführt, in denen daraufhin eine Medienoptimierung durchgeführt wurde. In einer 400 mL und 1 L Bioreaktoranlage wurde insbesondere der Einfluss des pH-Wertes auf die Produktbildung untersucht.

Ergebnisse

Während der Projektlaufzeit wurde für die Prozessoptimierung der biotechnischen Itaconsäureproduktion mit dem filamentösen Pilz Aspergillus terreus ein einfaches System mit geringen Standardabweichungen im µL Maßstab etabliert. Dieses wies eine sehr gute Vergleichbarkeit zur Kultivierung in den Schüttelkolben auf.

Weiterhin wurde eine neue Methode der Sporenherstellung etabliert. Mittels eines pH-Shift wird die Bildung submerser Sporen induziert. Bei Verwendung der submersen Sporen als Inokulum ist die lag Phase verkürzt, die Produktivität ist vergleichbar zu bisher verwendeten Sporen aus Oberflächenkulturen, was die Kultivierungsdauer reduziert.

Weiterhin wurden verschiedene Prozessvarianten optimiert. Hierbei zeigt ein einmaliger pH-Shift eine positive Auswirkung auf die Itaconsäure-Endkonzentration (110 g/L Itaconsäure nach 7,6 Tagen). Durch einen pH Shift mit anschließender Regelung des pH-Wertes ließ sich die Endkonzentration nach 12,6 Tagen Kultivierung auf 146,1 g/L Itaconsäure mit einer Ausbeute von 0,59 (w/w) steigern. Dies ist eine Steigerung in der Endkonzentration um 68 % zu den bisher publizierten Werten. In einem Abschlussexperiment wurden die zuvor optimierten Parameter für die Itaconsäure Produktion vereint. Hierbei wurde nach 4,7 Tagen Kultivierung eine Endkonzentration von 129,3 g/L Itaconsäure gebildet. Dies entspricht einer Produktivität von 1,15 g/L/h. Die Ausbeute lag mit 0,58 (w/w) über der Ausbeute der Referenz mit 0,53 (w/w). Das Projekt hat gezeigt, dass die Übertragung in den μL Maßstab sehr erfolgreich machbar ist und gegenteilig zur aktuellen Literatur keine Phosphatlimitierung zur Itaconsäureproduktion vorliegen muss. Im Vergleich zur Ausgangssituation, 90 g/L Itaconsäure nach 7 Tagen, wurde die Endkonzentration deutlich gesteigert, bei einer gleichzeitigen Verkürzung der Fermentationszeit, so dass die im Projekt gewonnenen Erkenntnisse von hohem wissenschaftlichen und industriellen Wert sind.