Biotechnische Herstellung und elektrochemische Aufarbeitung von Fumarsäure

Hintergrund und Zielsetzung

Fumarsäure ist eine ungesättigte Dicarbonsäure und ein bedeutender Baustein der chemischen Industrie. Sie wird derzeit in Polymeren, Pharmazeutika sowie Lebens- und Futtermittel verwendet und wird als eine der potentiell wichtigsten biobasierten Chemikalien angesehen. Die biobasierte Fumarsäureproduktion mit Pilzen wurde schon in den 1940er Jahren durchgeführt, aber durch die aufkommende Petrochemie verdrängt. Heute wird Fumarsäure ausschließlich petrochemisch aus fossilen Rohstoffen hergestellt.

Eine Rückumstellung auf erneuerbare Rohstoffe als Ausgangsstoff für diese Chemikalie würde die verbleibenden fossilen Rohstoffe schonen, den CO₂-Ausstoß verringern, die aktuelle Klimabilanz verbessert und einen Beitrag zum Übergang zu einer bio-basierten Kreislaufwirtschaft leisten. Zum Erreichen dieses Zieles ist die biotechnologische Route für die Fumarsäureherstellung von besonderem Interesse.

In unserem abgeschlossen ERA-IB-Verbundprojekt „Fumaric Acid for Polymer Applications (FAPA)” haben wir die fermentative Produktion von Fumarsäure mittels R. arrhizus NRRL 1526 und Glucose als Kohlenstoff- und Energiequelle untersucht. Dabei konnten wir insbesondere die Endkonzentrationen von Fumarsäure auf 195 g/L maßgeblich steigern. Aufbauend auf diesen Ergebnissen erforschen wir in diesem Projekt in Kooperation mit der RWTH Aachen und der Südzucker AG die Integration von Fermentation und Aufarbeitung. Up- und Downstream sollen mithilfe des elektrochemisch induzierten pH-Shifts eine selektive Fumarsäureabtrennung sowie einen reduzierter Baseneinsatz ermöglichen, was zu einer signifikanten Steigerung der fermentativen Leistungskennzahlen der biotechnisch hergestellten Fumarsäure führen wird. Im Fall der Fumarsäure bietet sich zudem die Möglichkeit neben biogenen Substraten CO₂ als Co-Substrat über einen reduktiven Metabolismus des Mikroorganismus zu nutzen, wodurch die biologische Kohlenstoffausbeute gesteigert werden kann und folglich der Flächenbedarf zur Erzeugung der biogenen Rohstoffe sinkt. Aus demselben Grund sollen auch bislang nicht hochwertig genutzte Nebenströme bestehender Produktionsprozesse für die Fumarsäureproduktion verwendet werden. Das biotechnologische Konversionsverfahren wird nachhaltig und kostengünstig gestaltet.

Vorgehensweise

Das Thünen Institut für Agrartechnologie wird das biokatalytische Verfahren zur Herstellung von Fumarsäure unter Steigerung der Kohlenstoffausbeute und unter Nutzung zuckerhaltiger Nebenströme entwickeln und optimieren. Des Weiteren soll das Co-Substrat CO₂ für die Fermentation verwendet werden. Für die Untersuchungen physikochemischer Parameter, dem Einsatz immobilisierter Biomasse sowie der Maßstabsvergrößerung stehen ein 4-fach-Parallelbioreaktor sowie mehrere Prozess-Bioreaktoren (5-15 L) zur Verfügung. Zusätzlich wird die Fermentation optimiert und modelliert. Nach einer Maßstabsvergrößerung soll die Fermentation kontinuierlich betrieben werden, um diese mit dem elektrochemischen Aufarbeitungsprozess der RWTH Aachen zu verschalten.