Anodische Elektrofermentation von Acetoin in Escherichia coli

Anodische Elektrofermentation ist eine neue Strategie anaerober Biotechnologie. Sie
ermöglicht Umsetzungen, bei denen die mittlere Oxidationsstufe des Endproduktes höher
ist als die des Substrats. Konventionell werden solche Reaktionen ausschließlich unter
oxischen Prozessbedingungen katalysiert. Dies geht mit einer starken Biomassebildung
und einem hohem Energieaufwand einher. Bei der Elektrofermentation fällt stattdessen als
Nebenprodukt lediglich elektrische Energie an, welche universell verwendet werden kann.
Ziel dieser Arbeit war die Etablierung eines Systemes zur Elektrofermentation von Acetoin
in einem metabolisch veränderten Escherichia coli Stamm. Bei Acetoin handelt es sich um
einen vielversprechenden Kandidaten für Basischemikalien einer anvisierten Bioökonomie.
Im ersten Teil der Arbeit konnte ein funktionales System zur Elektrofermentation von
Acetoin in Escherichia coli etabliert werden. Darauf aufbauend wurde im zweiten Teil
der Arbeit das Reaktorsystem dahingehend weiterentwickelt, den Anforderungen dieses
speziellen Fermentationsprozesses Rechnung zu tragen und inhibierende Faktoren zu
identizieren und zu eliminieren. ... mehrIm dritten Teil der Arbeit wurden Untersuchungen zur
Physiologie des Produktionsstammes vorgenommen und die gewonnenen Erkenntnisse
über die Acetyl-Phosphat abhängige Stowechselregulation zur Beschleunigung der metabolischen Rate angewandt. Im letzten Charakterisierungsschritt konnte die Leistungsgrenze des Reaktorsystems ermittelt und eine Modellbetrachtung des Fermentationsprozesses
angestellt werden.
Es konnte hierdurch ein Fermentationsprozess etabliert werden, welcher Acetoin mit
einer Ausbeute von rund 80 % des theoretischen Maximums produziert. Ferner wurde
eine Steigerung der Umsatzrate um das 15-Fache erreicht. Mit einer Produktivität von
76 mg l−1 h werden erstmals Werte erreicht, die eine zukünftige Konkurrenz zu oxischen
Fermentationen plausibel erscheinen lassen.