Authors:	Gasser, Esther
Title:	Mikrobielle Synthese von Biopolymeren aus der nachwachsenden Rohstoffquelle Weizenstroh
Online publication date:	29-Oct-2014
Year of first publication:	2014
Language:	german
Abstract:	Weizenstroh als erneuerbare Ressource zur Produktion von Biopolymeren und wichtigen Grundchemikalien stellt eine ökologisch sinnvolle Alternative dar. Durch die vom PFI durchgeführte Thermodruckhydrolyse konnte das Weizenstroh und die darin enthaltenen Zucker fast vollständig mobilisiert werden. Ein umfangreiches Screening nach Organismen, welche die Zucker des Weizenstrohs verwerten konnten, ergab, dass einige wenige Stämme zur PHB-Bildung aus Xylose befähigt waren (10 %). Zur PHB-Synthese aus Glucose waren indes ca. doppelt so viele Organismen in der Lage (20 %). Zwei der insgesamt 118 untersuchten Organismen zeigten besonders gute PHB-Bildung sowohl mit Xylose als auch mit Glucose als Substrat. Dabei handelte es sich um die hauseigenen Stämme Bacillus licheniformis KHC 3 und Bacillus megaterium KNaC 2. Nach Enttoxifizierung der hemicellulosischen Fraktion konnte diese als C-Quelle im Mineral Medium eingesetzt werden. Burkholderia sacchari DSM 17165 und Hydrogenophaga pseudoflava DSM 1034, sowie die hauseigenen Isolate Bacillus licheniformis KHC 3 und Bacillus megaterium KNaC 2 wurden für die Synthese von PHB aus der hemicellulosischen Fraktion verwendet. Die Zucker der hemicellulosischen Fraktion (Xylose, Glucose, Arabinose) konnten durch diese Organismen zur PHB-Synthese genutzt werden. Hierbei stellte sich heraus, dass die beiden Bacillus-Stämme besser zur Produktion von PHB aus dem hemicellulosischen Hydrolysat geeignet waren als die Stämme der DSMZ. Die alternative Umsetzung der im hemicellulosischem Hydrolysat enthaltenen Zucker (Xylose, Glucose und Arabinose) in die wichtigen Grundchemikalien Lactat und Acetat konnte durch die Verwendung von heterofermentativen Milchsäurebakterien verwirklicht werden. Die Bildung dieser wichtigen Grundchemikalien stellt eine interessante Alternative zur PHB-Synthese dar. Die Menge an teuren Zusätzen wie Tomatensaft, welcher für das Wachstum der MSB essentiell war, konnte reduziert werden. Die Glucose der zweiten Fraktion des Weizenstrohs, der cellulosischen Fraktion, konnte ebenfalls durch den Einsatz von Mikroorganismen in PHB umgewandelt werden. Kommerzielle Cellulasen der Firma Novozymes konnten große Mengen an Glucose (â ¥10 g/l) aus der cellulosischen Fraktion freisetzen. Diese freie Glucose wurde mit Hilfe von Cupriavidus necator DSM 545, Cupriavidus necator NCIMB 11599, Bacillus licheniformis KHC 3 und Bacillus megaterium KNaC 2 zu PHB fermentiert. Wie auch beim hemicellulosischen Hydrolysat konnten hier die beiden Bacillus-Stämme die besten Ergebnisse erzielen. Bei ihnen machte die PHB mehr als die Hälfte der Trockenmasse aus. Die Abtrennung des Zielprodukts ohne die Verwendung von umweltschädlichen Lösungsmitteln wurde durch die Lyse der Zielzellen durch eigens isolierte Enzyme aus Streptomyceten verwirklicht. Die Zelllyse durch die Enzyme aus Streptomyces globisporus subsp. caucasius DSM 40814 und Streptomyces albidoflavus DSM 40233 war erfolgreich und zeigte vor allem bei den Bacillen hohe Wirkung (83 % und 99 % Zelllyse). Bei dem Gram-negativen Organismus Cupriavidus necator DSM 428 konnte die anfangs niedrige Zelllyse von 38 % durch Ultraschallbehandlung auf ca. 75 % erhöht werden. Wheat straw as a renewable resource for the production of biopolymers and important basic chemicals represents an ecologically sensible alternative. A thermo-acid-hydrolysis treatment of wheat straw was optimized and applied. By this means the hemicellulose fraction of the straw was converted into sugar monomers, the insoluble cellulose fraction remained. An extensive screening for organisms that could utilize the sugar of wheat straw, showed that a few strains were capable of poly-ß-hydroxybutyrate (PHB) formation from xylose (10%). However twice as many organisms were capable of producing PHB out of glucose. Two of the 118 organisms studied showed particularly good PHB formation of both, xylose and glucose, as substrate: Bacillus licheniformis KHC 3 and Bacillus megaterium KNaC 2. After elimination of toxic compounds from the hemicellulosic fraction it could be used as carbon source in the mineral salt medium. Burkholderia sacchari DSM 17165 and Hydrogenophaga pseudoflava DSM 1034, as well as Bacillus licheniformis KHC 3 and Bacillus megaterium KNaC 2 were chosen for PHB-production from the hemicellulosic fraction. The sugars of this fraction (xylose, glucose, arabinose) could be used for PHB-production by these organisms. It showed that the two Bacillus strains were more suitable for the production of PHB from the hemicellulosic hydrolyzate as the strains of the DSMZ. The alternative implementation of the sugars, present in the hemicellulosic hydrolyzate, in the important basic chemicals, lactate and acetate was realized by the use of heterofermentative lactic acid bacteria. The formation of these important basic chemicals represents an interesting alternative for PHB synthesis. The amount of expensive additives, such as tomato juice, which was essential for the growth of the MSB could be reduced. The glucose of the second fraction of the wheat straw, the cellulosic fraction, could also be converted into PHB by the use of microorganisms. Commercial cellulases from Novozymes were able to release large amounts of glucose (â ¥10 g / l) from the cellulosic fraction. This free glucose was fermented into PHB by using Cupriavidus necator DSM 545, Cupriavidus necator NCIMB 11599, Bacillus licheniformis and Bacillus megaterium KHC 3 KNaC 2. As with the hemicellulosic hydrolyzate, the Bacillus strains were able to achieve the best results here. For them, the PHB accounted for more than half of their cell dry weight. The separation of the PHB without the use of environmentally-harmful solvents is realized by the lysis of target cells by enzymes isolated from Streptomycetes. Cell lysis by enzymes from Streptomyces globisporus subsp. caucasius DSM 40814 and DSM 40233 Streptomyces albidoflavus was successful and showed especially in the bacilli high efficiency (83% and 99% cell lysis). The initially low cell lysis of the gram-negative organism Cupriavidus necator DSM 428 (38%) could be increased by sonication to approximately 75%.
DDC:	570 Biowissenschaften 570 Life sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 10 Biologie
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-2901
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-38744
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	154 Bl.
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