Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5105
Main Title: Production of polyhydroxyalkanoate from high cell density fermentations using palm oil and waste animal fats as carbon feedstocks and their recovery with non-halogenated solvents
Translated Title: Produktion von Polyhydroxyfettsäuren mittels Hochzelldichtefermentationen mit Palmöl und tierischen Abfallfetten als Kohlenstoffquelle und deren Aufarbeitung mit nicht-halogenen Lösungsmitteln
Author(s): Riedel, Sebastian Lothar Stefan
Referee(s): Stahl, Ulf
Popović, Milan
Brigham, Christopher
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Polyhydroxyalkanoates (PHAs) are polyesters that have similar properties to conventional plastic materials. Many microorganisms synthesize versatile PHAs as carbon and energy storage under nutrient limitation and excess carbon. PHAs can be defined as “bioplastics”, which are biodegradable and produced from renewable carbon sources (C-sources). Ralstonia eutropha, a Gram-negative soil bacterium of the β-Proteobacteria class, is the model organism for PHA homeostasis. The wild type R. eutropha strain, H16, is able to store up to 90% of its cell dry weight as polyhydroxybutyrate (PHB) from various C-sources. This thesis focuses on the production of PHA polymers from plant oil and animal waste fat as principal C-sources. These are favorable C-sources, since they are available in large quantities, have a high carbon content and are comparatively inexpensive compared to other feedstocks (e.g. corn syrup) based on the carbon content. Methods have been developed to make these hydrophobic C-sources bioavailable for growth and PHA production. These methods are necessary to shorten the lag phase of growth and are essential when using fat/oils with high melting temperatures (Tm) as C-sources. Batch fermentation methods were developed, using engineered R. eutropha strains from MIT (Sinskey laboratory), to select a robust PHA production strain. Different fed-batch fermentation strategies where developed for the chose PHA production strain with palm oil as C-source. The optimal strategy, using a total palm oil concentration of 170 g/L, led into a PHA production of >100 g/L with a space time yield of >1 g/L/h of a versatile PHA copolymer. This is the highest reported yield in the literature for this kind of copolymer. Following the palm oil fermentation strategy, various animal waste fats were screened for best PHA productivity. The animal waste fat with the lowest quality was chosen, since it is by far the cheapest available oil/fat worldwide (100–130 USD/ton), as compared to higher quality animal waste fats (500–1,000 USD/ton) or palm oil (700–1000 USD/ton). The high content of free fatty acids (>40%) makes low quality animal waste fats unattractive for other industries as e.g. the biodiesel industry. A mixed feeding strategy of C-sources was developed in order to use directly animal waste fats with high Tm (up to 55°C). Initial fed-batch fermentations resulted in a production of 26 g PHA/L from a total of 60 g/L fat added to the culture. Finally, a PHA recovery strategy with non-halogenated solvents was developed from dry and wet biomass which led into polymer purities of >99%. During this development a unique separation technique of PHA copolymers based on their monomer concentration was discovered.
Polyhydroxyalkanoate (PHA) sind Polyester, die ähnliche Eigenschaften wie konventionelles Plastik aufweisen. Eine Vielzahl von Mikroorganismen synthetisiert PHA als Kohlenstoff- und Energiespeicher unter Nährstofflimitierung und gleichzeitigem Vorhandensein einer C-Quelle. PHA ist definiert als „Bioplastik“, welches biologisch abbaubar ist und aus nachwachsenden Rohstoffen gebildet werden kann. Ralstonia eutropha, ein gramnegatives Bakterium aus der Klasse der β-Proteobakterien, ist der Modelorganismus für die PHA Homöostase. Der Wildtyp R. eutropha H16 ist in der Lage, eine Vielzahl von C-Quellen zu verwerten und bis zu 90 % seines Zelltrockengewichts als Polyhydroxybutyrat (PHB) zu speichern. Diese Arbeit befasst sich mit der Produktion von PHA, die aus Pflanzenöl und tierischen Abfallfetten als C-Quelle gewonnen wurden. Diese C-Quellen sind zu bevorzugen, da sie relativ günstig im Vergleich zu anderen Ausgangsmaterialien (z.B. Maissirup), basierend auf den C-Gehalt sind. Sie sind in großen Mengen verfügbar und weisen eine hohe Konzentration an verwertbarer C-Quelle auf. Es wurden Methoden entwickelt, die die „Bioverfügbarkeit“ von hydrophoben C-Quellen für das Zellwachstum und die PHA Produktion ermöglichen. Dies ist notwendig, um die lag Phase zu verkürzen und essentiell beim Einsatz von Fetten/Ölen, die einen hohen Schmelzpunkt aufweisen. Batch Fermentationsbedingungen wurden unter der Verwendung von Palmöl, für genetisch veränderte R. eutropha Stämme vom Massachussets Institute of Technology (MIT, Sinskey Laboratorium), entwickelt um einen PHA Produktion Stamm auszuwählen. Anschließend wurden verschiedene Fed-batch Fermentationsstrategien mit dem ausgewähltem Stamm entwickelt. Die beste Strategie, mit einer totalen Palmölkonzentration von 170 g/L, resultierte in einer PHA Produktion von >100 g/L und einer spezifischen Produktleistung von >1 g PHA/L/h des neuartigen PHA Copolymers. Das ist eine der höchsten publizierten Ausbeuten dieses Polymers. Anschließend wurden verschiedene tierische Abfallfette für die beste PHA Produktion hin untersucht. Für weiterführende Arbeiten wurde das tierische Abfallfett mit der niedrigsten Qualität ausgesucht, da es mit Abstand das günstigste verfügbare Öl/Fett weltweit ist (100–130 USD/t). Diese C-Quelle wurde mit tierischen Abfallfetten mit einer guten Qualität (500–1000 USD/t) oder Palmöl (700–1000 USD/t) verglichen. Der hohe Anteil an freien Fettsäuren (>40 %) macht tierische Abfallfette einer niedrigen Qualität unattraktiv für die Nutzung in anderen Industrien wie z.B. der Biodieselindustrie. Eine Mischfütterungsstrategie wurde entwickelt, um tierische Abfallfette, die einen hohen Schmelzpunkt aufweisen (bis zu 55 °C), direkt als C-Quelle einsetzen zu können. Erste Fed-batch Fermentationen erzielten 26 g PHA/L mit einer eingesetzten totalen Fettkonzentration von 60 g/L. Abschließend wurde eine PHA Aufarbeitungsstrategie mit nicht-halogenen Lösungsmitteln, ausgehend von trockener und feuchter Biomasse, entwickelt. Damit wurde eine Reinheit von >99 % erreicht. Während der Entwicklung dieser Methode wurde eine neuartige Separationstechnik von PHA-Copolymeren, basierend auf ihrer Monomerkonzentration, entdeckt.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5430
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5105
Exam Date: 8-Feb-2016
Issue Date: 2016
Date Available: 20-Apr-2016
DDC Class: DDC::600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): polyhydroxyalkanoate
PHA production
PHA recovery
high cell density fermentations
waste animal fats
Polyhydroxyfettsäuren
PHA-Produktion
PHA-Aufarbeitung
Hochzelldichtefermentation
tierische Abfallfette
Usage rights: Terms of German Copyright Law
Appears in Collections:Technische Universität Berlin » Fakultäten & Zentralinstitute » Fakultät 3 Prozesswissenschaften » Institut für Biotechnologie » Publications

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
riedel_sebastian.pdf3.86 MBAdobe PDFThumbnail
View/Open


Items in DepositOnce are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.