140-tägige kontinuierliche anaerobe Fermentationen im LAMBDA MINIFOR Parallel-Bioreaktorsystem zur Untersuchung der Wirkung von externem Acetat auf die Lactat-basierte Kettenverlängerung bei der Capronatsynthese

Für die biotechnologische Herstellung der energetisch wertvollen Capronsäure testete die Fakultät für Umwelttechnik & Energie der Technischen Universität Poznan (PL) erstmals den Effekt von externem Acetat auf die Lactat-basierte Kettenverlängerung während der Capronatsynthese.

Für die Untersuchung wurden dem Mikrobiom während den 140-tägigen anaeroben Fermentationen im Parallel-Bioreaktorsystem LAMBDA MINIFOR 1L kontinuierlich Lactat und Acetate als C-Quellen zum synthetischen Medium zugefüttert.

Abb. 1: Versuchsaufbau der Technischen Universität Poznan für ihre Studie DOI: 10.1016/j.scitotenv.2021.149885 zur Überprüfung des Einflusses des externen Acetats auf das Produktionsspektrum, die Gasproduktion sowie die Stabilität & Effizienz der biotechnologischen Capronatsynthese: Parallel-Bioreaktorsystem für zwei kontinuierliche anaerobe Fermentationen (identische Lactat-Fütterungsprofile, unterschiedliche Acetatzugaben) während 140 Tagen.

Der Versuchsaufbau: Parallel-Bioreaktorsystem und Parameterregelung für die kontinuierlichen anaeroben Fermentationen

In der auf doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.149885 veröffentlichten Studie erklärten die Autoren Filip Brodowski, Mateusz Łężyk, Natalia Gutowska und Piotr Oleskowicz-Popiel den Versuchsaufbau für die 140-tägige kontinuierlichen anaeroben Fermentationen im Parallel-Bioreaktorsystem zur Herstellung der mittelkettigen Capronsäure: Als Parallel-Bioreaktorsystem, um zeitgleich unterschiedliche Feed-Strategien unter ansonsten gleichen bioverfahrenstechnischen Parametereinstellungen zu testen, dienten zwei LAMBDA MINIFOR 1L Fermentereinheiten zur erleichterten Handhabbarkeit. Die beiden Fermentereinheiten verfügten jeweils über eine eigene Mess- & Regeleinheit für die bioverfahrenstechnischen Parameter:

Abb. 2: Versuchsaufbau: Schematische Darstellung einer LAMBDA MINIFOR 1L Fermentereinheit im Parallel-Bioreaktorsystem mit:
1) pH Mess- und Regeleinheit mit
    A) Säurepumpe 
    B) Base-Pumpe
    C) Mettler-Toledo InPro 3253 pH-Elektrode
2) Temperatur Mess- und Regereinheit mit
    D) Eingebautem Heizelement (IR-Strahler)
    C) Temperatursonde der Mettler-Toledo InPro 3253
3) Regeleinheit zum Chemostatenbetrieb mit
    E) Waagemodul
    F) Fütterungspumpe (Feed)
    H) Abernte-Pumpe (Harvest)
4) Mischungsregler mit
    I) FiSH-Tail Vibromischsystem
G) Volumetrisches Gasdurchflussmessgerät für die Abluft

Anaerobe Bedingungen für das Mikrobiom zur Capronsäureherstellung

Um den Sauerstoff aus dem Flüssigmedium und dem Kopfraum der Reaktorgefässe zu verdrängen und so die anaeroben Bedingungen für das Mikrobiom (u.a. strikt anaerobe Bakterien der Familie der Ruminococcaceae), wurden zur Spülung der Reaktorgefässe mit Stickstoff (N₂) die in den Fermentereinheiten LAMBDA MINIFOR eingebauten MASSFLOWs verwendet.

Gewichtsgesteuerte kontinuierliche Fermentationen (Chemostaten)

Für die gewichtsgesteuerten kontinuierlichen Fermentationen (Chemostaten, hydraulische Verweilzeit HRT = 5 d) wurde jeweils ein LAMBDA Waagemodul unter jede Fermentereinheit des Parallel-Bioreaktorsystems gestellt. Während die Feed-Pumpen nach Voreinstellung zufütterten, steuerten die Waagemodule vollautomatisch die Abernte-Pumpen an, um die Fermentergewichte konstant zu halten.

Gewichtsgesteuerte kontinuierliche Fermentation (Chemostat) =
LAMBDA MINIFOR + Fütterungspumpe + Waagemodul + Aberntepumpe

Temperaturregelung für die biotechnologische Capronatsynthese

Basierend auf der Messung der angeschlossenen Temperatursonde der Mettler-Toledo InPro 3253 erfolgte die automatische Temperatureinstellung von 30 °C mit Hilfe der in beiden Fermentereinheiten standardmässig als Heizelemente eingebauten Infrarotstrahler und Temperaturregeleinheiten mit automatischer Volumendetektion.

pH-Regelung mit Säure und Base

Die durch die anaeroben Fermentationen laufend veränderten pH-Werte wurden durch eine automatische Zufuhr von Säure oder Base auf den Sollwert von pH = 5.5 zurückgeführt. Zur vollautomatischen pH-Regelung durch die Fermentereinheiten dienten proportional ansteuerbare LAMBDA PRECIFLOW Schlauchpumpen für Säure- und Basezugaben und die pH-Sonde Mettler-Toledo InPro 3253.

Kulturmedien und Inokulationen

Beide Fermentergefässe (Typ MINIFOR 1L Reaktionsgefäss) des Parallel-Reaktorsystems wurden jeweils mit 0.8 Liter synthetischem Flüssigmedium befüllt und mit 80 ml Mikrobiom (gewonnen aus dem Schlamm der Capronsäure-Herstellungsanlage) inokuliert.

Unterschiedliche Zugabe von Acetat in den beiden Fermentereinheiten des Parallel-Bioreaktorsystems

Bis auf die unterschiedliche Fütterungsstrategie wurde der biotechnologische Prozess zur Capronatsynthese in beiden Fermentereinheiten des Parallel-Bioreaktorsystems gleich gefahren.

Als C-Feed wurden Laktat und Acetat in beiden Fermentereinheiten (B1 und B2) verwendet.

• In beiden Fermentereinheiten (B1 und B2):
  • Lactat wurde mit stetig steigender Konzentration während der gesamten Fermentation zugefüttert.

• Fermentereinheit B1:
  • Actetat wurde erst ab dem Tag 119 bis Tag 140 des Fermentationsprozesses zugefüttert.

• Fermentereinheit B2:
  • Actetat wurde konstant während der gesamten Versuchsdauer zugefüttert

Die genauen Konzentrationen von Laktat und Acetat und die Fütterungsstrategie sind in Tabelle 1 im untenstehenden Bild zu finden:

Abb. 3: Das Diagramm zeigt die 140 Tage (x-Achse) der anaeroben Fermentation in den beiden Fermentereinheiten B1 und B2 im Parallel-Bioreaktorsystem: Auf der y1-Achse sind die Capronat-Produktionsraten eingezeichnet (orange), auf der y2-Achse die Restkonzentrationen von zugefüttertem Lactat (rot) und von zugefüttertem Acetat (grün). Die in den beiden Fermentereinheiten unterschiedlichen C-Feed Konzentrationen (c(Laktat) und c(Acetat)) der jeweiligen Fütterungsphasen sind in der Tabelle gelistet.

Wie beeinflusste das externe Acetat das Produktionsspektrum, die Synthesegasrate sowie die Stabilität & Effizienz der biotechnologischen Capronatsynthese?

Resultate und Schlussfolgerung:

Bei der Zugabe von externem Acetat einzig in der letzten Phase der kontinuierlichen anaeroben Fermentation (von Tag 119 bis Tag 140) wurde die Wiederherstellung einer stabilen Capronat-Produktionsrate (68.9 ± 2.20 mmol C/L/d), der Verbrauch des gesamten Laktats und eine hohe Wasserstoffkoproduktion (748 ± 76.0 ml_H2/d) beobachtet (Fermentereinheit B1).

Die Zugabe von externem Acetat während der gesamten biotechnologischen Lactatumwandlung (Fermentereinheit B2) sorgte trotz Laktatüberfütterungen für eine stabile Capronat-Produktionsrate mit einer Ausbeute von 71.7 ± 2.40 mmol C/L/d und einer reduzierten Wasserstoffproduktion von 213 ± 30.0 ml_H2/d.

Die mikrobiologische Analyse des Mikrobioms zeigte zudem, dass die strikt anaeroben Ruminococcaceae bacterium CPB6 und die Bakterien der Gattung Acinetobacter während des ganzen Prozesses stabil waren.

Die Forscher schlussfolgerten, dass die Überfütterung mit Lactat als einzige Kohlenstoffquelle die biotechnologische Capronatsynthese destabilisiert, während die Zugabe von externem Acetat (Elektronenakzeptor) den Produktionsprozess begünstigt.

Schlüsselwörter: Anaerobe Fermentationen, Capronsäure, biotechnologische Capronatsynthese, Kettenverlängerung, Wasserstoff, Lactat, Acetat, Mikrobiom, Ruminococcaceae, Parallel-Bioreaktorsystem, Feed, kontinuierliche Fermentationen