Symbiose von biologischen und chemischen Katalysatoren zur Umsetzung von Hemicellulose

Herstellung von Xylitol

  • Abb. 1: Der Prozess gliedert sich in zwei Teilschritte. Im ersten Schritt wird Hemicellulose mit Hilfe von Enzymen und chemischen Katalysatoren zu Xylose abgebaut. Dieser Fünffachzucker wird im zweiten Prozessschritt durch Ganzzellkatalyse zu Xylitol reduziert.Abb. 1: Der Prozess gliedert sich in zwei Teilschritte. Im ersten Schritt wird Hemicellulose mit Hilfe von Enzymen und chemischen Katalysatoren zu Xylose abgebaut. Dieser Fünffachzucker wird im zweiten Prozessschritt durch Ganzzellkatalyse zu Xylitol reduziert.
  • Abb. 1: Der Prozess gliedert sich in zwei Teilschritte. Im ersten Schritt wird Hemicellulose mit Hilfe von Enzymen und chemischen Katalysatoren zu Xylose abgebaut. Dieser Fünffachzucker wird im zweiten Prozessschritt durch Ganzzellkatalyse zu Xylitol reduziert.
  • Abb. 2: Schematische Darstellung des Hybridprozesses. Die Hydrolyse des Substrats erfolgt in einem Plugflowreaktor, in dem der chemische Katalysator (Topt. = 90°C) und immobilisierte Enzyme kombiniert sind (Topt. = 75°C). Das aufgeschlossene Substrat wird mit Mikro- und Makroelementen für verbessertes Biomassewachstum versetzt und gelangt anschließend in einen Rührkessel mit Zellretentionssystem. Über dieses Zellretentionssystem erfolgt ein kontinuierliches Abernten des produzierten Xylitols im Überstand.

Die große Abhängigkeit unserer Gesellschaft und der chemischen Industrie von schwindenden fossilen Rohstoffen ruft nach dem verstärkten Einsatz von Erneuerbaren. Hemicellulosen stellen nach Cellulose den zweithäufigsten Bestandteil von pflanzlicher Biomasse dar, wobei der Masseanteil auf etwa 35 % geschätzt wird. Trotzdem findet Hemicellulose, aufgrund ihrer inhomogenen Zusammensetzung und Struktur, nur geringen Einsatz in industriellen Prozessen.

Ein prominentes Beispiel für hemicellulosebasierte Chemikalien ist Xylitol. Dieser Zuckerersatzstoff wird in der Lebensmittelindustrie stark nachgefragt, sowie für Kosmetika und zur Zahnpflege eingesetzt. Allerdings basieren bestehende Herstellungsprozesse auf chemischer Hydrierung von gereinigter Xylose und sind ressourcenintensiv und teuer.

Projektziel

Im Rahmen des Projekts soll in einer Kooperation der Universitäten TU Wien, TU Dresden, der Abo Akademi Turku, sowie dem österreichischen Software- und Consultingunternehmen Exputec ein Hybridprozess zur Umwandlung von Hemicellulose aus der Papier- und Zellstoffindustrie in Plattformchemikalien (Zucker- und Zuckeralkohole) für die Lebensmittel-, Pharma- und Kosmetikindustrie entwickelt werden. Quintessenz und Neuheit des Prozesses ist die Nutzung synergetischer Effekte von effizienten chemischen Katalysatoren, umweltfreundlichen Enzymen und mikrobiellen Biokatalysatoren unter extremen Prozessbedingungen (75 – 90 °C, pH 3) in einem einzigen Reaktorsystem.
Für die Nutzbarmachung von Hemicellulose sind harsche Aufschlussbedingungen notwendig. Um anschließendes Kühlen und Neutralisieren des Substrats zu vermeiden, stellt der Einsatz von extremophilen Mikroorganismen eine attraktive Möglichkeit zur Realisierung von umweltfreundlichen Bioprozessen dar. Um dabei möglichst flexibel zu bleiben und ein anpassbares Produktportfolio anbieten zu können, bedarf es genetisch modifizierbarer Wirte, wie zum Beispiel Archaeen des Genus Sulfolobus. Diese Organismen bieten sowohl mit optimalem Wachstum bei 75 – 85 °C und pH Werten von 2 – 4, als auch durch das Vorhandensein einer ganzen Werkzeugkiste zur Modifikation ihrer genetischen Ausstattung, beste Voraussetzungen für die Entwicklung von innovativen Bioprozessen.

Prozessidee

Wie in Abbildung 1 dargestellt, gliedert sich der Prozess in zwei Teilschritte.

Im ersten Schritt wird das Ausgangssubstrat Hemicellulose in Xylose abgebaut. Die Xylose wird im zweiten Schritt zum wertgeschöpften Produkt – Xylitol - umgewandelt.

Um das Ziel einer möglichst vollständigen Umwandlung der Hemicellulose in Xylose zu erreichen, wird eine Kombination von chemischen Katalysatoren und Enzymkatalyse eingesetzt. Die kombinierte Wirkung von endo- und exoxylanolytischem Abbau ermöglicht eine effiziente Umsetzung der Hemicellulose. Anschließend wird im zweiten Schritt durch Ganzzellkatalyse Xylose zu Xylitol reduziert. Ein Abkühlen oder Neutralisieren des Mediums ist hier aufgrund der außergewöhnlichen Widerstandsfähigkeit der eingesetzten Mikroorganismen nicht erforderlich. Dies bringt die Vorteile einer Energie- und Chemikalienersparnis, erhöhter Löslichkeit von Oligomeren und minimalem Kontaminationsrisiko. Des Weiteren müssen für die Reduktionsreaktion keine teuren Kofaktoren zugeführt werden, da diese von den Mikroorganismen selbst synthetisiert und regeneriert werden.

Neben dem Fünffachzucker Xylose werden bei der Hydrolyse von Buchenholz die Sechsfachzucker Mannose, Galactose und Glucose freigesetzt. Diese Zucker werden von den Mikroorganismen als Energiequelle genutzt, während durch Ausschalten von Genen im Xylosestoffwechselweg sichergestellt wird, dass Xylose ausschließlich zu Xylitol umgesetzt und nicht metabolisiert wird. Das Enzym zur Bildung von Xylitol kommt in der Natur nur in Pilzen vor. Da das obere Temperaturlimit dieser Organismenklasse bereits bei ca. 60°C erreicht ist, wurde eine temperaturstabile Variante des Enzyms in den thermoacidophilen Wirtsorganismus eingebracht und diese können dadurch bei 75°C und pH 3 Xylitol produzieren.

Technische Umsetzung

Aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften der eingesetzten Katalysatoren ist es notwendig innerhalb eines gewissen Rahmens Kompromisse bei den Prozessbedingungen einzugehen. Die beiden wichtigsten Faktoren sind hierbei Temperatur und pH Wert. Durch serielle Prozessführung ist es möglich nach Durchlaufen eines Temperaturgradienten im ersten Prozessschritt die Umsetzung von Hemicellulose zu Xylose unter optimalen Temperaturen für eine Kombination der chemischen und enzymatischen Katalyse durchzuführen. Nach Durchlaufen des Temperaturgradienten wird bei 75°C, der optimalen Wachstumstemperatur für die Mikroorganismen, Xylose zu Xylitol umgesetzt. Aufgrund der relativ hohen pH Stabilität der eingesetzten Enzyme und Mikroorganismen kann der gesamte Prozess bei einem pH von 3 durchgeführt werden. Eine Anpassung des pH Werts zwischen den Prozessschritten ist also nicht nötig. Die Notwendigkeit der Immobilisierung von chemischen Katalysatoren und Enzymen bedingt auch ein technisch zweigeteiltes Prozessdesign, wobei der erste Schritt als Plugflowreaktor und der zweite Schritt als kontinuierlicher Rührkessel realisiert wird (Abb. 2). Ein membranbasiertes Zellretentionssystem wird eingesetzt, um die Biomasse in hohen Zelldichten im Reaktor zu halten, während gleichzeitig kontinuierlich Produkt geerntet werden kann.

Beim Aufschluss von Holzsubstraten entsteht je nach Prozessbedingungen immer eine Reihe von Inhibitoren, die zur Zelllyse oder zu einer Wachstumsinhibition führen können. Dabei kann zwischen Substanzen, die bereits im Holz enthalten, beim Aufschluss freigesetzt (Phenole, langkettige Fettsäuren, Acetat), oder erst prozessbedingt während des Aufschlusses gebildet werden (Hydroxymethylfurfural, Furfural), unterschieden werden. Aufgrund der vergleichsweise niedrigen Prozesstemperaturen und der schonenden enzymatischen Umsetzung werden im vorliegenden Prozess relativ geringe Mengen Acetat freigesetzt und nahezu kein Furfural oder Hydroxymethylfurfural gebildet. Um die restlichen Inhibitoren zu eliminieren wird Aktivkohle eingesetzt, welche Phenole und auch langkettige Fettsäuren bindet.

Aktueller Entwicklungsstand

Chemische Katalysatoren
Ein Screening von möglichen Katalysatoren wurde durchgeführt. Dabei stellte sich „Smopex-101“ (ein Polymer besetzt mit Styrolsulfonsäuregruppen) als vielversprechendster Kandidat für unseren Prozess heraus. Es wurden Vorversuche mit Inulin und Hemicellulose durchgeführt, um Verweilzeiten, Dimensionierung und Regenerationsfähigkeit des Katalysators zu ermitteln.

Enzyme
Eine Reihe von kommerziell erhältlichen, sowie in-house produzieren Enzymen, wurde auf Temperatur- und pH Stabilität getestet. Umsatzraten und Yields wurden ermittelt und schlussendlich die beste Enzympreparation ausgewählt. Damit wurde bereits erfolgreich Hemicellulose aufgeschlossen und nun wird an der Verbesserung der Ausbeuten gearbeitet.

Ganzzellkatalyse
Mit dem Archaeon Sulfolobus acidocaldarius wurde ein thermoacidophiler Wirt gefunden, für den Werkzeuge zur genetischen Modifikation zur Verfügung stehen. Es wurden mehrere Knockoutmutanten hergestellt, um den Xyloseabbau im Organismus zu unterbinden. Die vom Organismus aufgenommene Xylose steht dadurch zur Umwandlung zu Xylitol bereit. In diese Knockoutmutanten wurde erfolgreich das Gen einer ursprünglich aus einem thermophilen Pilz stammenden Xylosereduktase eingebracht. Aktuell wird an der Erhöhung der Zelldichte im Bioreaktor und der Reduktion von Inhibitoren im aufgeschlossenen Substrat gearbeitet.

Ausblick

Momentan werden die Teilprozesse separat entwickelt. Hauptziel der aktuellen Entwicklungsphase ist die Verbesserung von Ausbeute an Xylose und Xylitol. Im nächsten Schritt wird die Zusammenführung der Prozesse von chemischer und biologischer Katalyse erfolgen. Neben Abstimmung der Stoffflüsse stellen hierbei der Aufbau eines kontinuierlichen Systems von Substrataufschluss, Regeneration von chemischen Katalysatoren und Aktivkohle sowie der Produkternte kommende Herausforderungen dar.

Autoren
Julian Quehenberger1 und Oliver Spadiut1

Zugehörigkeiten
1Forschungsbereich Bioverfahrenstechnik, Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und Technische Biowissenschaften, Technische Universität Wien, Wien, Österreich

Kontakt
Prof. Dr. Oliver Spadiut

Forschungsbereich Bioverfahrenstechnik
Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und Technische Biowissenschaften
Technische Universität Wien
Wien, Österreich
oliver.spadiut@tuwien.ac.at

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