Biocatalytic conversion of cellulose towards itaconic acid

Jäger, Gernot; Büchs, Jochen

doi:4268

Biocatalytic conversion of cellulose towards itaconic acid = Biokatalytische Umwandlung von Cellulose zu Itaconsäure

Jäger, Gernot (Author)

2012

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Gernot Jäger

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2012

UmfangXVIII, 164 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2012

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Büchs, Jochen (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2012-08-08

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-42684
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/62915/files/4268.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik (416510)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Biokonversion (Genormte SW) ; Biotechnologie (Genormte SW) ; Cellulose (Genormte SW) ; Itaconsäure (Genormte SW) ; Nachwachsender Rohstoff (Genormte SW) ; Biowissenschaften, Biologie (frei) ; nachwachsende Rohstoffe (frei) ; biocatalysis (frei) ; biotechnology (frei) ; cellulose (frei) ; itaconic acid (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Cellulose ist ein natürlicher, nachwachsender Rohstoff, der für die nachhaltige Produktion von Plattformchemikalien (z.B. Itaconsäure) verwendet werden kann. Die biokatalytische Umwandlung von Cellulose stellt dabei eine äußerst vielversprechende Prozessvariante dar, die sowohl hohe Selektivität, niedrige Exergieverluste als auch milde Reaktionsbedingungen vereinigt. Solche biokatalytischen Prozesse werden allerdings selten industriell umgesetzt, da die einzelnen Umwandlungschritte (Vorbehandlung, Hydrolyse, Fermentation) eine geringe Effizienz oder hohe Kosten aufweisen. Um diese Umwandlungschritte gezielt optimieren zu können, wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit jeder dieser drei Schritte ausführlich untersucht. Des Weiteren wurden dabei neue (integrierte) Verfahren und Screeningtechnologien entwickelt. Im Rahmen dieser Dissertation wurde ein grundlegendes Verständnis für die biokatalytische Umwandlung von Cellulose zu Itaconsäure generiert. Dabei wurden nicht nur alle essentiellen Umwandlungsschritte detailliert untersucht, sondern auch innovative (integrierte) Verfahren und Technologien entwickelt. In zukünftigen Arbeiten müssen die Umwandlungsschritte weiter aufeinander abgestimmt und die (in-situ) Reinigung der Itaconsäure als finaler Prozessschritt implementiert werden. Das Recycling von Wasser, Cellulasen, Mikroorganismen und restlicher Cellulose sollte ebenfalls ein Schwerpunkt zukünftiger Forschung sein. Um die Ausbeute und Produktivität des gesamten Prozesses zu erhöhen, müssen die Biokatalysatoren optimiert und an die Bedingungen von integrierten Prozessschritten (z.B. SSF) angepasst werden. Das im Rahmen dieser Arbeit generierte Verständnis bildet schließlich die Grundlage, um weitere Verbesserung zu erzielen und einen ökonomischen Prozess zur Umwandlung von Cellulose zu Plattformchemikalien zu etablieren.

Naturally occurring cellulose can be used as a renewable resource for the sustainable production of platform chemicals such as itaconic acid. The biocatalytic conversion of cellulose is a very promising approach due to its high selectivity, mild conditions, and low exergy loss. However, such biocatalytic processes are still seldom applied at the industrial scale since the single conversion steps (pretreatment, hydrolysis, and fermentation) exhibit low efficiencies or high costs. To allow a knowledge-based optimization, each step was analyzed in detail within this thesis. Thereby, new (integrated) approaches and screening technologies were also established. Within this thesis, a detailed understanding of the biocatalytic conversion of cellulose to itaconic acid was generated. Not only all essential conversion steps were investigated in detail, but also novel (integrated) approaches as well as technologies were developed. In the future, the conversion steps need to be further harmonized, and (in-situ) product recovery should be implemented, as well as the recycling of water, cellulases, microorganisms, and unconverted cellulose. Moreover, cellulases and microorganisms need to be improved and adapted to integrated process configuration such as SSF. In conclusion, the results presented within this thesis are the fundamental basis for a further knowledge-based improvement and pave the way for an economically feasible production process converting cellulose to itaconic acid.

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