Einfluss des Fermentationsmodus und der Medienzusammensetzung auf die Produktion von 1,3-Propanediol und organischen Säuren mit Levilactobacillus brevis PD20.100

Aus Abfallstoffe nützliche Materialien erzeugen

Industrien erzeugen täglich Reststoffe, die schwer wiederzuverwenden sind, etwa Rohglycerin aus Biodieselanlagen und proteinreiche Rückstände aus der Fischverarbeitung. Diese Studie untersucht, wie ein speziell adaptiertes Mikroorganismus diese Abfälle mit geringem Wert in 1,3-Propanediol — einen wichtigen Baustein für umweltfreundliche Kunststoffe und Körperpflegeprodukte — sowie in nützliche organische Säuren umwandeln kann. Durch den Vergleich verschiedener Fermentationsmodi und Nährstoffrezepte suchen die Forschenden nach einem Kompromiss, bei dem Nachhaltigkeit, Kosten und Produktivität zusammenpassen.

Von Brennstoffabfällen und Fischresten zu neuen Produkten

Im Mittelpunkt der Arbeit steht 1,3-Propanediol, ein kleines Molekül, das zur Herstellung dehnbarer, widerstandsfähiger Fasern für Bekleidung und andere Produkte sowie als Bestandteil von Frostschutzmitteln, Lacken und Kosmetika verwendet wird. Traditionell aus Erdöl gewonnen, kann es stattdessen von Mikroben produziert werden, die kohlenstoffreiche Substrate „verstoffwechseln“. Hier nutzt das Team Rohglycerin, ein Nebenprodukt der Biodieselproduktion, das oft Verunreinigungen enthält, zusammen mit Glukose als Hauptkohlenstoffquellen. Als Stickstoffquelle — den anderen wichtigen Nährstoff für Mikroben — testen sie zwei Optionen: ein konventionelles, nährstoffreiches Labormedium namens modifiziertes MRS (mMRS) und Fischprotein-Hydrolysat (FPH), ein pulverförmiges Produkt aus Fischverarbeitungsrückständen. Ziel ist zu prüfen, ob FPH teure Laborbestandteile ersetzen kann und gleichzeitig eine starke Produktion ermöglicht.

Wie die Mikroben die Arbeit leisten

Die Forschenden arbeiten mit einem adaptiv evolvierten Stamm des Milchsäurebakteriums Levilactobacillus brevis PD20.100, der an hohe Zucker- und Rohglycerin-Konzentrationen angepasst wurde. Innerhalb der Zellen wird Glycerin auf zwei gekoppelte Zweige verteilt: einer wandelt es in 1,3-Propanediol um, der andere führt zu Milchsäure und Essigsäure. Diese Zweige teilen interne „Elektronen“, weshalb das Gleichgewicht zwischen ihnen entscheidend ist. Sind die Bedingungen günstig, fließt mehr in Richtung 1,3-Propanediol; andernfalls entsteht mehr Säure. Die Studie untersucht, wie die Medienzusammensetzung (mMRS versus FPH), die Zellform (frei suspendiert versus in Alginatkügelchen immobilisiert) und der Fermentationsstil (Einzelstapel, fed-batch und wiederholte Chargen) dieses Gleichgewicht verschieben.

Vergleich der Fermentationsarten

In einfachen Batch-Experimenten mit suspendierten Zellen und beiden Kohlenstoffquellen bei 60 g/L lieferte mMRS die besten Gesamtergebnisse und erreichte etwa 39–40 g/L 1,3-Propanediol bei sehr hoher Umwandlung des Rohglycerins. Mit FPH produzierte das Mikroorganismus weiterhin respektable 27–31 g/L, wuchs aber langsamer und ließ mehr Substrat ungenutzt zurück, vermutlich weil FPH bittere oder hemmende Peptide enthält und einige in mMRS vorhandene Vitamine fehlen. Die Immobilisierung der Zellen in Alginatkügelchen verbesserte die Stabilität und erlaubte Wiederverwendung, senkte jedoch typischerweise die Spitzenproduktmengen im Vergleich zu frei suspendierten Zellen. Bei fed-batch-Strategien — bei denen Glycerin und Glukose über die Zeit zugegeben werden — zeigte ein bestimmtes Zuführschema in mMRS eine solide Leistung, aber immer noch unterhalb der besten Batch-Lauf. Mit FPH führten dieselben Strategien zu geringeren Ausbeuten und stärkeren Verlangsamungen über die Zeit.

Wiederverwendung der Zellen und Skalierung

Bei wiederholten Chargenfermentationen, bei denen Zellen oder Kügelchen mehrfach in frisches Medium überführt wurden, zeigte sich, wie sich die Leistung im Lauf der Zeit verändert. Suspendierte Zellen in mMRS hielten eine hohe 1,3-Propanediol-Produktion über mehrere Zyklen aufrecht, bevor sie allmählich abnahm — wahrscheinlich bedingt durch Stress und Produktansammlung, die die Zellgesundheit beeinträchtigen. In FPH trat dieser Abfall früher und steiler auf, was auf kumulative Effekte hemmender Komponenten hinweist. Immobilisierte Zellen in Alginatkügelchen zeigten ein ähnliches Muster: anfangs gute Leistungen in mMRS, aber deutliche Rückgänge nach einigen Zyklen, besonders in FPH. Schließlich wechselten die Forschenden zu einem gesteuerten Rührkesselreaktor mit FPH. Mit besserer Kontrolle von pH, Durchmischung und Sauerstoffbedingungen erreichte das System nahezu 29 g/L 1,3-Propanediol und nutzte das Rohglycerin deutlich effizienter als in kleinen Schüttelkolbenversuchen.

Implikationen für eine grünere Produktion

Insgesamt zeigt die Studie, dass der adaptierte Stamm L. brevis PD20.100 biodieseltypisches Nebenproduktglycerin in wertvolles 1,3-Propanediol und organische Säuren under verschiedenen Bedingungen umwandeln kann. Das konventionelle mMRS-Medium liefert weiterhin die höchsten Ausbeuten und schnellsten Fermentationen, doch Fischprotein-Hydrolysat — hergestellt aus Fischverarbeitungsabfällen — erweist sich als vielversprechende, kostengünstigere und nachhaltigere Stickstoffquelle. Mit durchdachtem Prozessdesign, sorgfältiger Steuerung in Bioreaktoren und weiterer Anpassung der FPH-Zusammensetzung argumentieren die Autorinnen und Autoren, dass dieser Ansatz der Industrie helfen könnte, zwei problematische Abfallströme in nützliche Chemikalien zu verwandeln und so die Ziele einer kreislaufbasierten Bioökonomie sowie die Produktion umweltfreundlicherer Materialien voranzubringen.

Zitation: Alphy, M.P., Anjitha, S.K., Sherin, S.D. et al. Fermentation mode and media effects on 1,3-propanediol and organic acids production using Levilactobacillus brevis PD20.100. npj Mater. Sustain. 4, 17 (2026). https://doi.org/10.1038/s44296-026-00106-x

Schlüsselwörter: 1,3-Propanediol, Rohglycerin, Fischprotein-Hydrolysat, Laktische Milchsäurebakterien, nachhaltige Fermentation