Increased productivity of Clostridium acetobutylicum fermentation of acetone, butanol, and ethanol by pervaporation through supported ionic liquid membrane

Pervaporation proved to be one of the best methods to remove solvents out of a solvent producing Clostridium acetobutylicum culture. By using an ionic liquid (IL)-polydimethylsiloxane (PDMS) ultrafiltration membrane (pore size 60 nm), we could guarantee high stability and selectivity during all measurements carried out at 37C. Overall solvent productivity of fermentation connected with continuous product removal by pervaporation was 2.34 g l(-1) h(-1). The supported ionic liquid membrane (SILM) was impregnated with 15 wt% of a novel ionic liquid (tetrapropylammonium tetracyano-borate) and 85 wt% of polydimethylsiloxane. Pervaporation, accomplished with the optimized SILM, led to stable and efficient removal of the solvents butan-1-ol and acetone out of a C. acetobutylicum culture. By pervaporation through SILM, we removed more butan-1-ol than C. acetobutylicum was able to produce. Therefore, we added an extra dose of butan-1-ol to run fermentation on limiting values where the bacteria would still be able to survive its lethal concentration (15.82 g/l). After pervaporation was switched off, the bacteria died from high concentration of butan-1-ol, which they produced

One-pot bio-synthesis: N-acetyl-d-neuraminic acid production by a powerful engineered whole-cell catalyst

Whole cell biocatalysis is an important tool for pharmaceutical intermediates synthesis, although it is hindered by some shortcomings, such as high cost and toxicity of inducer, mass transfer resistance caused by cell membrane and side reactions. Whole-cell catalysis using N-acetyl-d-glucosamine 2-epimerase (EC 5.1.3.8) and N-acetyl-d-neuraminic acid (Neu5Ac) aldolase (EC 4.1.3.3) is a promising approach for the production of Neu5Ac, a potential precursor of many anti-viral drugs. A powerful catalyst was developed by packaging the enzymes in an engineered bacterium and using a safe temperature-induced vector. Since the mass transfer resistance and the side reactions were substantially reduced, a high Neu5Ac amount (191 mM) was achieved. An efficient method was also presented, which allows one-pot synthesis of Neu5Ac with a safe and economic manner. The results highlight the promise of large-scale Neu5Ac synthesis and point at a potential of our approach as a general strategy to improve whole-cell biocatalysis

Reaktionstechnik biokatalytischer Prozesse am Beispiel der kontinuierlichen enzymatischen Synthese von N-Acetylneuraminsäure

$\bullet$ Erstmalig wurde im Rahmen dieser Arbeit 11-Acetylneuraminsäure (Neu5Ac) ausgehend von N-Acetylglucosamin (GlcNAc) mit Hilfe des gekoppeltenEnzymsystems aus N-Acylglucosamin 2-Epimerase und N-Acetylneuraminsäure-Aldolase im kontinuierlichen Prozeß hergestellt. Das durch die Epimerase gebildeteN-Acetylmannosamin wird ohne Isolierung direkt weiter zu Neu5Ac umgesetzt. $\bullet$ Aufgrund ähnlicher pH- und Temperaturoptima lassen sich beide Enzyme zusammen im Enzym-Membran-Reaktor einsetzen. $\bullet$ Für beide Enzyme wurden zum ersten Mal alle kinetischen Parameter zur Beschreibung des Einflusses aller Reaktanden ermittelt. Die Viskosität des Reaktionsmediums und die Mutarotation der Kohlenhydrate wurden als weitere Einflußgrößen untersucht. $\bullet$ Die verwendeten kinetischen Modelle beschreiben sowohl die Kinetik als auch die Gleichgewichtslage der Einzelreaktionen und der Gesamtreaktion mit guter Genauigkeit. $\bullet$ Durch Modellrechnungen konnten günstige Betriebsbedingungen für die Neu5Ac-Synthese ausgehend von ManNAc und unter Verwendung des gekoppelten Enzymsystems ausgehend von GleNAc ermittelt werden. Die Modellrechnungen wurden experimentell bestätigt. $\bullet$ Ausgehend von ManNAc wurden 250 g Neu5Ac mit einer Raum-Zeit-Ausbeute von 650 g/(L*d) produziert. Das im Unterschuß eingesetzte ManNAc wurde zu 80% umgesetzt. $\bullet$ In einem weiteren Produktionsversuch wurden ca. 680 g Neu5Ac hergestellt (vgl. Kap. 7). Als Substratlösung wurde eine aus der basenkatalysierten Epimerisierung erhaltene Lösung von ManNAc und GlcNAc verwendet. Das im Unterschuß eingesetzte ManNAc wurde zu 80% umgesetzt.$\bullet$ Ausgehend von GieNAc wurden bei Einsatz des gekoppelten Enzymsystems bei äquimolaren Substratkonzentrationen Raum-Zeit-Ausbeuten bis zu 165 g/(L*d) bei einem Umsatz von 33% erzielt. $\bullet$ Bei der Festlegung der Reaktionsbedingungen wurde auf eine möglichst einfache Produktisolierung geachtet. Auf den Einsatz von Puffersubstanzen konnte vollständig verzichtet werden. Für beide Verfahrensalternativen wurden geeignete Methoden zur Produktisolierung mittels Anionenaustauschchromatographie entwickelt. $\bullet$ Die geringe massenspezifische Aktivität der Epimerase kann bei Verwendungdes gekoppelten Enzymsystems durch höhere Aldolasekonzentrationen ausgeglichen werden, da der Umsatz nur in geringem Maße vom Aktivitätsmolenbruchabhängt. $\bullet$ Durch Vergleich der Reaktionsgeschwindigkeiten und der erzielbaren Raum-Zeit-Ausbeuten wurden die Vorteile der enzymkatalysierten gegenüber der basenkatalysierten Epimerisierung zur ManNAc-Synthese aufgezeigt