Een nieuwe route voor de productie van 1,3-propaandiol vanuit glycerol in BES

1,3-propaandiol productie door elektrisch gestuurde bacteriën

Een diversiteit aan bacteriën kunnen elektronen afgeven aan of opnemen uit een elektrische stroom. Onderzoek naar deze zogenoemde bio-elektrochemische systemen toont aan dat bacteriële productieprocessen kunnen gestuurd worden, gebruik makend van elektriciteit. Eén van deze processen is de omzetting van het economisch laagwaardige glycerol naar 1,3-propaandiol (1,3-PDO), een grondstof in de polymeerindustrie. Het blijkt dat een pure cultuur van een gemodificeerde C. werkmanii stam glycerol efficiënt kan omzetten met behulp van elektrische stroom (0,43 mol 1,3-PDO/mol glycerol, 7,2 g/L.d).

De beperkte reserves aan fossiele brandstoffen en de wereldwijde gewaarwording van de milieuproblemen die ze teweegbrengen, werken de bio gebaseerde productieprocessen sterk in de hand. Een voorbeeld is de productie van biodiesel, echter de concurrentie van de petrochemie is groot, zowel in volume als in prijs. Een mogelijke oplossing om de competitiviteit te vergroten is het economisch opwaarderen van zij- en afvalstromen van het bio productieproces. Glycerol is een zijproduct dat de laatste jaren sterk in prijs is afgenomen ten gevolge van de grote surplus door de toename in biodiesel productie. Glycerol wordt onder andere gebruikt als grondstof voor de productie van economisch hoogwaardige chemicaliën. Naast chemische omzetting wordt tevens het biologische verhaal onderzocht. Een vaak bestudeerde route is de productie van 1,3-propaandiol.

1,3-Propaandiol 1,3-propaandiol (1,3- PDO) is een fermentatieproduct met diverse toepassingen, voornamelijk in de polymeerindustrie, onder andere polytrimethyleen terephthalaat (PTT) gebruikt in de productie van tapijtvezels. De vraag naar 1,3-PDO is sterk toegenomen sinds de ontdekking van PTT door Shell. De synthese kan zowel chemisch als biologisch gebeuren. Glycerol dient als grondstof bij deze laatste. Bacteriële omzetting van glycerol naar 1,3-PDO vereist twee elektronen. Verschillende elektrondonoren zoals bijvoorbeeld glucose zijn reeds onderzocht, maar ook elektrische stroom kan deze omzetting sturen. Het voordeel van een biologisch proces ten opzichte van een chemisch is de daling in productiekost en het wegvallen van de noodzaak aan toxische katalysatoren.

Bio-elektrochemische systemen Gelijkaardig aan chemische batterijen bestaan biologische varianten waar bacteriën elektronen kunnen afgeven aan een anode of opnemen van een kathode. Dergelijke bio-elektrochemische systemen (BES) worden sinds enkele jaren onderzocht als groene energiebron of alternatief productieproces.
De bacteriële oxidatie van chemische stoffen stelt elektronen vrij die een elektrische stroom kunnen opwekken. Zo kan de behandeling van afvalwater bijvoorbeeld gekoppeld worden aan het opwekken van elektriciteit. Tot op heden worden echter te lage stroomdichtheden bereikt om dit proces als economisch haalbaar te beschouwen.
Het tweede grote luik van BES onderzoek is het sturen van reductieprocessen aan de kathode. Elektrische stroom, chemisch of bacterieel gegeneerd, is een bron van elektronen voor bacteriën. Deze elektronen kunnen gebruikt worden voor hun metabolisme of voor de om- zetting van grondstoffen naar (half)producten, zoals bijvoorbeeld glycerol naar 1,3-PDO.

Gemodificeerde en natuurlijke bacteriële producenten Niet alle bacteriën zijn in staat tot het metaboliseren van glycerol en al zeker niet tot de omzetting naar 1,3-PDO. Het glycerolmetabolisme is in eerste instantie een oxidatief proces met vrijstelling van energie voor de bacteriën om van te leven. Een alternatieve route is het reduceren van glycerol naar 1,3-PDO.
Citrobacter species zijn dergelijke natuurlijke producenten van 1,3-PDO vanuit glycerol, zowel vanuit ruw als gezuiverd glycerol. 1,3-PDO productie is echter groeigerelateerd en de productie van vele zijproducten zoals onder andere acetaat en ethanol zorgen voor een lage efficiëntie. Een drievoudige deletiemutant van C. werkmanii is in eerder onderzoek zo gemodificeerd dat het oxidatief metaboliseren van glycerol onmogelijk wordt, net als de productie van de zijproducten ethanol en lactaat. Deze modificatie leidt tot een sterk verhoogde efficiëntie van de glycerol omzetting met glucose als elektrondonor.
Een bacteriële stam die eveneens 1,3-PDO kan produceren uit glycerol is Lactobacillus. Pluspunt voor de 1,3-PDO productie is het gebrek aan de genen van het oxidatief glycerolmetabolisme.
Deze drie stammen - C. werkmanii wild type, 3 voudige mutant en L. reuteri - werden onderzocht naar hun 1,3-PDO productie in BES als alternatief voor het toedienen van het dure cosubstraat glucose.

Resultaten

De drie stammen werden als pure cultuur geïntroduceerd in het kathode compartiment van een BES op een glycerol substraat al dan niet in aanwezigheid van een stikstofbron. Stikstof is een vereiste voor bacteriële groei en zijn afwezigheid in het substraat kan de relatie tussen groei en productie helpen in beeld brengen. De toegediende stroomsterkte was 0,1 mA/cm2 of 1 mA/cm2.

Een maximale efficiëntie van 0,43 mol 1,3-PDO gevormd per mol glycerol verwijderd werd bereikt door de gemodificeerde 3 voudige mutant van C. werkmanii. Een theoretisch maximale efficiëntie werd behaald in het oorspronkelijk onderzoek op een glycerol- glucose substraat, doch in BES ligt de titer hoger (12,04 g/L in vergelijking met 8,16 g/L). C. werkmanii wild type bereikt in dit onderzoek een efficiëntie van 0,42 mol/mol met een maximale concentratie van 11,20 g/L. Bij een opgelegde stroom van 0,1 mA/cm2 worden coulombische efficiënties bereikt van 100% of hoger. Productie in BES door L. reuteri levert een titer toename die 140 maal hoger ligt in vergelijking met de batch testen. De efficiëntie (0,25 mol/mol) en titer (7,01 g/L) liggen lager dan de Citrobacter stammen.

Economische haalbaarheid Voor de meest efficiënte stam van dit onderzoek, C. werkmanii triple knock-out (0,43 mol/mol) wordt een vergelijking gemaakt tussen de kosten gerelateerd met fermentatie of microbiële elektrosynthese (MES). Bij dergelijke lage efficiënties blijkt het niet rendabel om fermentatieprocessen te gebruiken. Productie in BES daarentegen levert wel winst op en kan bovendien nog een extra winst genereren als het geproduceerde H2 eveneens kan opgezuiverd en verkocht worden.

Conclusie

Algemeen werden hogere efficiënties en concentraties bereikt in BES in vergelijk met testen met glucose als elektrondonor. De hoogste efficiëntie werd bekomen met de gemodificeerde stam van C. werkmanii (0,43 mol 1,3-PDO/mol glycerol). De toename in efficiëntie is het grootst bij L. reuteri (140 maal hoger). In BES heeft het al dan niet aanwezig zijn van stikstof geen invloed op de 1,3-PDO productie. Vanuit een economisch perspectief is er een ruime marge voor een rendabele 1,3-PDO productie in BES. Dit alles opent deuren voor verder onderzoek.