Titelaufnahme

Titel
Xylose fermentation for lactic acid production with a genetically modified Saccaromyces cerevisae strain / Bernd Brunner, BSc
Verfasser/ VerfasserinBrunner, Bernd
Begutachter / BegutachterinNidetzky, Bernd
ErschienenGraz, April 2016
UmfangII, 40 Blätter : Illustrationen
HochschulschriftKarl-Franzens-Universität Graz, Masterarbeit, 2016
Anmerkung
Zusammenfassungen in Deutsch und Englisch
SpracheDeutsch
DokumenttypMasterarbeit
Schlagwörter (GND)Polymilchsäure / Saccharomyces cerevisiae
URNurn:nbn:at:at-ubg:1-101586 Persistent Identifier (URN)
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Xylose fermentation for lactic acid production with a genetically modified Saccaromyces cerevisae strain [0.89 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Die mikrobielle Produktion von optisch reiner Milchsäure hat in letzter Zeit das Interesse vieler Forscher auf sich gezogen. Ein stark wachsendes Einsatzgebiet ist die Produktion des biologisch abbaubaren Poly-Milchsäurekunststoffes (PLA), welches eine umweltfreundliche Alternative zu erdölbasierten Kunststoffen darstellt. Die hohen Medienanforderungen und die geringe pH- Toleranz der bisher zur Produktion eingesetzten Milchsäurebakterien verhindern allerdings eine wirtschaftliche Umsetzung einer Massenproduktion. Die Reduzierung der Kosten und die Vereinfachung des Prozesses rücken daher in den Fokus vieler Forscher weltweit. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der genetischen Modifikation von S. cerevisiae für die Milchsäureproduktion. S. cerevisiae ist als GRAS Organismus klassifiziert und resistenter gegenüber niedrigen pH-Werten als Milchsäurebakterien. Der in der folgenden Arbeit beschriebene Hefestamm ist in der Lage aus Xylose Milchsäure zu produzieren. Hierfür wurde das pdc1 Gen mittels homologer Rekombination mit einem ldh Gen aus P. falciparum ersetzt. Danach wurde das pdc5 Gen der Hefe ausgeknockt um die Bildung von Ethanol zu verhindern und die Milchsäureausbeute zu erhöhen. Durch diese Strategie konnte in einer Fermentation in anaeroben, pH-gepufferten Glasfläschchen eine Milchsäureausbeute von 0.82 g/g Xylose erreicht werden. In mikro-aeroben Bioreaktor- Fermentationen konnte eine Milchsäureausbeute von 0.36 g/g Xylose erreicht, die spezifische Aufnahmerate von Xylose erhöht werden. In beiden Versuchen konnte die Ethanolproduktion erfolgreich gehemmt werden. Dies zeigt, dass die Produktion von Milchsäure mit dem veränderten S. cerevisiae Stamm mit hohen Ausbeuten möglich ist, sogar unter Verwendung einer alternativen Kohlenstoffquelle wie Xylose. Weitere Untersuchungen zur Verbesserung der Produktivität des Hefestammes könnte zu einer Kostenreduzierung führen, was in weiterer Folge PLA zu einem Konkurrenten von erdölbasierten Kunststoffen machen könnte.

Zusammenfassung (Englisch)

Microbial fermentative production of enantiomeric pure lactic acid has recently gained the interest of many researchers due to the wide field of application possibilities. One of the fastest growing markets is the production of biodegradable polylactic acid (PLA) polymers, an environmental friendly alternative to petroleum based plastics. The high media requirements and the low pH tolerance of the commonly applied lactic acid producers, lactic acid bacteria, currently prevents the economic feasibility of a large scale production. The reduction of the costs and the simplification of the process are now in the focus of researchers worldwide. This study is about the genetic modification of Saccharomyces cerevisiae towards lactic acid production. S. cerevisiae is classified as a GRAS organism and is much more robust against low pH values than lactic acid bacteria. The yeast introduced in this study is able to metabolize hemicellulose-derived xylose to produce lactic acid. Therefore, the pdc1 was replaced by homologous recombination with an ldh from Plasmodium falciparum. Afterwards the pdc5 was knocked out to prevent the formation of ethanol and to enhance the yield of lactic acid. With this strategy a lactic acid yield of 0.82 g/g xylose could be achieved in anaerobic, pH buffered glass bottle fermentations. The formation of ethanol as a by-product could be prevented efficiently. During large scale micro-aerobic bioreactor fermentations a lactic acid yield of 0.36 g/g could be achieved, the specific uptake rate of xylose could be enhanced and again the ethanol production was efficiently inhibited. This results show that the production of lactic acid with genetically modified S. cerevisiae is possible at high yields even by the use of alternative substrate sources like xylose. Further investigation for enhancing productivity could lead to much cheaper production of lactic acid and along the line PLA could evolve to an economic competitor of petroleum based polymers.