Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2414
Main Title: Stimulus response experiments for modelling product formation in Clostridium acetobutylicum fermentations
Translated Title: Stimulus response Experimente zur Modellierung der Produktsynthese in Clostridium acetobutylicum Fermentationen
Author(s): Junne, Stefan
Advisor(s): Neubauer, Peter
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: In der Aceton-Butanol-Ethanol (ABE) Fermentation werden durch das anaerobe, Gram-positive Bakterium Clostridium acetobutylicum in der acidogenen Wachstumsphase Säuren (vorwiegend Essig- und Buttersäure) und in der solventogenen Phase Lösungsmittel (vorwiegend Aceton, Butanol und Ethanol) synthetisiert. Die Herstellung von Biobutanol gewinnt auf Grund gestiegener Bemühungen in der Entwicklung wirtschaftlicher Prozesse zur Herstellung von Grundchemikalien aus erneuerbaren Rohstoffen an Interesse. Da Butanol einige Vorteile gegenüber Ethanol besitzt, ist der Prozess generell attraktiv für eine zukünftige industrielle Anwendung. Auf Grund des komplexen regulatorischen Netzwerkes in C. acetobutylicum ist die Prozesskontrolle schwierig. Bisher konnte weder die Butanolausbeute noch die Selektivität substantiell gesteigert werden, und zwar weder durch Prozessoptimierung noch durch Metabolic Engineering. Die Mechanismen, die die Umschaltung von der Acidogenese hin zur Solventogenese verursachen, sind noch unklar. Trotzdem wird vermutet, dass hohe Konzentrationen von Säuren und deren Vorprodukte sowie Lösungsmittelkonzentrationen eine Hauptrolle in der Regulation einnehmen. Um ein besseres Verständnis der regulatorischen Interaktionen zu erlangen und um ein kinetisches Modell zu entwickeln, dass die Produktsynthese in unterschiedlichen Fermentationsphasen voraussagt, wurden „Stimulus Response“ (Puls-) Experimente in pH 5.0 kontrollierten Satzfermentationen durchgeführt. Um die Einflüsse verschiedener Substrate oder Substratmischungen, wie sie in der Praxis auftreten, zu studieren, wurden Substratpulse in Chemostat Kultivierungen durchgeführt. Dabei wurde die Kultur in der Übergangsphase zwischen Acidogenese und Solventogenese gehalten. Um Effekte bei konstanter Enzmykonzentration zu beobachten, wurde die Analyse innerhalb der ersten 150 Sekunden nach dem Puls durch schnelle Probennahme durchgeführt. Um die Folgen des Pulses einzuschätzen, wurde eine instationäre metabolische Stoffflussanalyse angewendet. Die Resultate der Puls-Experimente führte zu einer Übersicht der Effekte, die durch die erhöhte Konzentration an Säuren und Lösungsmittel hervorgerufen wurden. Die Zugabe von Essig- und Buttersäure führte in beiden Fällen zu einer verfrühten Umschaltung. Die Acetonsynthese spielte dabei eine Schlüsselrolle. Resultate der Glukose- und Buttersäurezugabe in Chemostat Kultivierungen untermauerten die Ergebnisse der Satzkultivierungen. Die Addition von Xylose und Stärke führte zu erhöhten Syntheseraten im Metabolismus, obwohl die Substrate selbst im Untersuchungszeitraum nicht verstoffwechselt wurden. Die zugrunde liegenden Mechanismen sind unbekannt. Basierend auf den gesammelten Daten wurde ein kinetisches Modell entwickelt. In den Modellsimulationen wurde eine Akkumulation des Zwischenproduktes der Buttersäure- und Butanolsynthese, Butyryl-CoA, berechnet. Diese Vorhersage kann ein Hinweis darauf sein, dass die Zwischenprodukte Butyryl-CoA oder Butyryl-Phosphat eine Schlüsselrolle beim Umschalten von der Acidogenese zur Solventogenese einnehmen. Das erhaltene Modell stellt eine Basis für weitere kinetische Modellierungen als auch für eine verbesserte Prozessauslegung und Stammoptimierung dar.
In the acetone butanol ethanol (ABE) fermentation process, the anaerobic, gram-positive bacterium Clostridium acetobutylicum produces acids during the acidogenic growth phase (mainly acetic and butyric acid) and solvents during the solventogenic phase (mainly acetone, butanol, and ethanol). The production of biobutanol is gaining increased interest due to strengthened efforts in developing economically viable processes for bulk production based on renewable feed stocks. Since butanol possesses some advantages over ethanol, this process is generally attractive for future industrial application. Process control is difficult due to the complex regulatory network in C. acetobutylicum. The butanol yield and selectivity could not be substantially increased so far, neither by process optimization nor by metabolic engineering approaches. The mechanisms which are causing the switch from acidogenesis to solventogenesis are still unclear. However, it is assumed, that high concentrations of acids and their precursors as well as the solvent concentrations play a key role in regulation. In order to achieve a better understanding of the regulatory interactions and to develop a kinetic model that is able to describe product formation in the different fermentation phases, stimulus response (pulse) experiments were performed in pH 5.0 controlled batch fermentations. For studying the influences of different substrates or substrate mixtures as they appear in practice, substrate pulses were performed in chemostat cultivations. These fermentations were maintained at the transition state between acidogenesis and solventogenesis. To observe effects at constant enzyme concentrations, analysis was performed during the first 150 seconds after the pulse by automated rapid sampling. For evaluation of the impact caused by a pulse, an instationary metabolic flux analysis was applied. Results of the pulse experiments yielded a map of influences caused by increased extracellular concentrations of acids and solvents. Addition of acetic and butyric acid supported an earlier switch to solventogenesis in both cases. Acetone synthesis played a key role for the initiation of the switch. Results of glucose and butyric acid pulses in the chemostat experiments confirmed the observations from batch experiments. The addition of xylose and starch led to increased reaction rates within the metabolism, although these substrates were not consumed in the observed time period. The underlying mechanisms for this behaviour are unknown. Based on the collected data, a kinetic model was developed. In the model simulations, an accumulation of the precursor of butyric acid and butanol production, butyryl-CoA, was predicted. This prediction can be a hint, that the intermediates butyryl-CoA or butyryl-phosphate may play a key role in the switch from acidogenesis to solventogenesis. The obtained model will serve as a basis for further kinetic modelling as well as for an improved process and strain design.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-26040
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2711
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2414
Exam Date: 8-Feb-2010
Issue Date: 26-Mar-2010
Date Available: 26-Mar-2010
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): ABE Fermentation
Acetobutylicum
Clostridium
ABE fermentation
Acetobutylicum
Clostridium
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