Implementierung der Elektroimpulsbehandlung von Hefen zum Upcycling agroindustrieller Reststoffe zu Bioschmierstoffen; Teilvorhaben 2: Biomasseproduktion auf Reststoffen

Abstract

Das Projekt hat die Herstellung von Hefebiomasse aus land- und forstwirtschaftlichen Rest- und Nebenströmen sowie aus Rohglycerin, Melasse, Molke und C5/C6-Zuckermischungen systematisch geprüft. Oleogene Hefestämme wurden hinsichtlich Gesamt-Biomasseertrag, Lipid- und Proteingehalt sowie der kombinierten Ausbeute beider Wertstoffe bewertet. Die Bewertung hat unter drei Bedingungen stattgefunden: (i) ohne Nährstofflimitierung, (ii) Phosphat-limitierung und (iii) Stickstoff-limitierung. Im ersten Projektabschnitt sollte für jeden Stamm 2,5 L-Kontrollfermentationen mit Glukose durchgeführt. Dabei hat man einerseits eine nicht Nährstoff limitiert wachsende Kultur zur Erzeugung proteinreicher Biomasse etabliert und andererseits eine Stickstoff-und eine Phosphat-limitierte Kultur, um deren Einfluss auf die Lipidbildung zu untersuchen. Auf Basis dieser Standardfermentationen sollte im zweiten Drittel des Projektes die Fermentation mit den ausgewählten Rest- und Nebenströmen durchgeführt werden. Ziel war es, die Ausbeuten mit den Glukose-Referenzdaten zu vergleichen und gleichzeitig Biomasse für die Analyse des Einflusses komplexer Substrate auf die PEF-Effizienz zu generieren (untersucht im Teilvorhaben 1). Nach Abschluss der systematischen Bewertung sollte die optimale Kombination aus Hefestamm, Substrat und Nährstofflimitierung in den Pilotmaßstab überführt werden. Hierzu sollten apparative und prozesstechnische Anpassungen für die Biomassekultivierung entwickelt werden. Im letzten Drittel sollte die vielversprechendste Kombination in einem 30-L-Reaktor hochskaliert, um genügend Biomasse für 50 ml Lipidproben der Firma ROWE bereitzustellen. Diese Proben haben die Bestimmung von Bioschmierstoff-Kennwerten ermöglicht und den Entwicklungszyklus von Teilvorhaben 2 abgeschlossen. Projektergebnisse: Die Untersuchung vergleicht Nitrogen und Phosphat Limitation bei der SCO Produktion, zeigt effiziente Nutzung unbearbeiteten Rohglycerins durch angepasste Fütterungsstrategien und optimiert die Öl Extraktion aus Cutaneotrichosporon oleaginosum mittels zweistufiger Fed Batch Fermentation und mikrowellenunterstützter Extraktion. (I) In 2,5 L Reaktoren wurden vier oleaginöse Hefen unter nitrogen limitierten, phosphat limitierten und nährstoffreichen Bedingungen kultiviert. Nitrogen Limitation führte zu den höchsten Lipidtitern. Phosphat Limitation erhöhte den Lipidgehalt im Durchschnitt um ≈ 290 % gegenüber unlimitiert wachsenden Kulturen und ermöglichte in zwei Stämmen gleiche oder höhere spezifische Lipidproduktionsraten, wodurch die Lipidproduktion von der Biomasseentstehung entkoppelt werden kann - ein Vorteil für Stickstoff reiche Substrate. (II) Zwei unbehandelte Rohglycerin Chargen wurden in 2,5 L und 19 L Reaktoren getestet. Kultivierung von Cutaneotrichosporon oleaginosum, mit einmaliger Zugabe des gesamten Rohglycerins führten zu keinem Wachstum, während ein schrittweises, angepasstes Fütterungsregime die Anfangsinhibition überwand. In 2,5 L Fermentationen erreichten die Hefen Wachstumsraten von 0,51 h⁻¹ und Produktivitäten von 0,22 g L⁻¹ h⁻¹ bei ca. 30 %. Das 19 L Mehrfach Batch Setup bestätigte die Robustheit: stabile Lipidgehalte und Fettsäureprofile trotz Substrat und Stickstoff Variabilität der verwendeten Rohglycerine. (III) Untersuchungen zur Extraktionsvariabilität der lipidhaltigen Hefen identifizierten grüne Lösungsmittel (2 Methyltetrahydrofuran) und mikrowellenunterstützte Extraktion als Schlüssel. Ein neu entwickeltes zweistufiges Fed Batch Verfahren erreichte eine Lipid-Produktivität von 31,4 g L⁻¹ in 144 h, und die mikrowellenassistierte Methode ermöglichte eine Lipidrückgewinnung von 98,7 %. Diese kombinierte Prozessoptimierung steigert die Wirtschaftlichkeit und unterstützt die industrielle Anwendung von SCO basierten Bioprodukten.