Im Rahmen des Verbundprojekts SynergyFuels, sind drei Professuren der TUM Campus Straubing für die Isobutanol Synthese zuständig: Professur Mikrobielle Biotechnologie (TUM MIB), Lehrstuhl für Chemie Biogener Rohstoffe (TUM CBR), und Professur Bioverfahrenstechnik (TUM BVT).
TUM MIB hat die Produktion von Isobutanol aus Weizenstrohhydrolysat mit Corynebacterium glutamicum freigeschaltet und charakterisiert. Bei der Verzuckerung von Lignocellulose entstehen neben Zuckern auch Aromaten, Aldehyde und kurzkettige Säuren, die toxisch für Mikroorganismen sein können. Es wurde gezeigt, dass C. glutamicum robust gegenüber einem Großteil beispielhafter Hemmstoffe ist. Acetat stört allerdings den Energiestoffwechsel, wodurch die Glukose-Aufnahmerate vermindert wird. Zudem bewirkt ein bisher unbekannter Bestandteil des Hydrolysats nach kurzer Fermentationsdauer einen Defekt im Isobutanol-Biosynthesewege. Um die Synthese des Alkohols aus Weizenstrohhydrolysat mit C. glutamicum zu optimieren wird der Produktionsstamm weiterentwickelt und eine Aufarbeitung des Hydrolysats getestet. Darüber hinaus wird an einer Antibiotika-unabhängigen Isobutanolproduktion und der Entwicklung eines Fed-batch Prozesses gearbeitet.
Am Lehrstuhl BVT am TUM-Campus Straubing wurden bisher In- situ-Produktabtrennungsmethoden (ISPR) zur Aufarbeitung von Isobutanol aus Fermentationsbrühen untersucht. Die Flüssig-Flüssig-Extraktion hat sich als die am besten geeignete Trennmethode herausgestellt, und es wurden mehrere Lösungsmittel für diesen Zweck identifiziert und charakterisiert. Zwei Beispiele für solche Lösungsmittel sind Oleylalkohol und Tributyrin. Zum Nachweis der Funktionalität der in-situ Flüssig-Flüssig-Extraktion wurde Isobutanol mit Oleylalkohol aus Fermentationsflüssigkeit extrahiert und durch Destillation erfolgreich zurückgewonnen. Darüber hinaus wird derzeit am BVT-Lehrstuhl ein 42-Liter-Edelstahl-Bioreaktor aufgebaut, um die Skalierung des finalen Prozesses vorzubereiten.
Bei TUM CBR liegt das Hauptaugenmerk auf der biokatalytischen Produktion von Isobutanol – einem verzweigten C4-Alkohol mit großem Potential als künftiger Biokraftstoff. Im SynergyFuels-Konzept soll Isobutanol zudem als Schlüsselintermediat zur Herstellung von flottentauglichen OM(B)E-Kraftstoffen dienen. Wir interessieren uns insbesondere für verschiedenen Zell-freie Multi-Enzymkaskaden, die biogene Rohstoffe (z.B. Zucker aus biologischen Reststoffen) sowie atmosphärisches CO2 nutzen, um Isobutanol klimafreundlich herzustellen. Vorherige Untersuchungen ergaben, dass einige der relevanten Enzyme unzulängliche Aktivitäten und Stabilitäten aufweisen, was vor dem Hintergrund der angestrebten industriellen Anwendung als problematisch zu bewerten ist. Unser Ziel ist es daher, mit Hilfe von Enzym Engineering, Hochdurchsatz-Screening-Verfahren und Kaskadenoptimierung die Isobutanolproduktion unserer synthetischen Biosysteme zu verbessern.