Genetische Manipulation und Stammoptimierung von Clostridium ljungdahlii zur Produktion von Biobutanol mittels Synthesegasfermentation

• Antragsteller: Dr. Bastian Molitor
• Fachliche Zuordnung: Mikrobielle Ökologie und Angewandte Mikrobiologie ; Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 274455180

Heutzutage steigt die weltweite Energienachfrage stetig an, während fossile Energieressourcen immer knapper werden. Daher müssen neue Wege sowohl zur Energie- als auch der Kraftstoff- und Plattformchemikalienerzeugung gefunden werden. Derzeit wird Ethanol als häufigster Biokraftstoff eingesetzt, wobei die Produktion zum Großteil auf der Fermentation von Zuckerrohr, Mais oder Weizen beruht (Biokraftstoff der 1. Generation). Eine wichtige Alternative zur Verwendung dieser Nahrungspflanzen stellt die nicht verdaubare pflanzliche Biomasse (Lignocellulose) dar. Hierdurch können Konflikte bei der Nutzung von landwirtschaftlichen Nutzflächen, die mit der Produktion von Biokraftstoffen der 1. Generation einhergehen durch die Verwendung von Lignocellulose weitgehend umgangen werden. Eine Alternative zum Bioethanol stellt n-Butanol dar, welches als Kraftstoff zudem Vorteile wie z.B. eine höhere Energiedichte und bessere Verbrennungseigenschaften bietet.Man unterscheidet zwei verschiedene Plattformen zur Produktion von Biokraftstoffen der 2. Generation aus Lignocellulose: Die Zucker- und die Synthesegasplattform. Die Zuckerplattform basiert auf der intensiven Vorbehandlung der Lignocellulose mittels Hitze, Chemikalien und Enzymen. Die dadurch zugänglich gemachten Zucker werden anschließend zu Bioalkoholen fermentiert. In der Synthesegasplattform wird die Lignocellulose durch Biomassevergasung oder langsame Pyrolyse in ein Gasgemisch aus Kohlenmonoxid (CO), Wasserstoff (H2), Kohlendioxid (CO2) und Stickstoff (N2) (Synthesegas) überführt. Dieses Gasgemisch kann im Fischer-Tropsch Verfahren in mittel- bis langkettige Alkohole umgesetzt werden. Allerdings können Gasverunreinigungen die Funktion der chemischen Katalysatoren stören und deren Wirkung dauerhaft herabsetzen. Desweiteren entstehen undefinierte Alkoholgemische, die von der Synthesegaszusammensetzung abhängen. Alternativ können in der sogenannten Synthesegasfermentation carboxidotrophe Bakterien genutzt werden, um definierte Produkte wie Acetat, Ethanol oder n-Butanol herzustellen.Vor allem im Bereich der Reaktoroptimierung zur Fermentation von Synthesegas zu Bioalkoholen und/ oder Acetat mit carboxidotrophen, homoacetogenen Bakterien wurden bereits Fortschritte erzielt. Dahingegen ist die Produktion von n-Butanol aktuell noch mit Schwierigkeiten verbunden. Eine weitere Herausforderung besteht zudem in der Entwicklung von Methoden zur genetischen Modifikation dieser Organismen, um hierdurch effektive Biokatalysatoren zur Synthesegasfermentation zu erhalten.Ziel des vorliegenden Projektantrags ist daher die Etablierung eines verlässlichen Protokolls zur Produktion von n-Butanol aus n-Buttersäuresalz mit Clostridium ljungdahlii in einem Synthesegasfermentationsprozess. Dieser Prozess soll durch 1. Die genetische Modifizierung des Produktionsstammes und 2. Die Verbesserung der Fermentationsparameter optimiert werden.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Dr. Largus Angenent, Ph.D.