Co-culture of Acetobacterium woodii and Clostridium drakei using CO₂ and in situ generated H₂ to produce caproic acid via lactic acid
Creators: name: Herzog, Jan
Publisher: name: TUHH Universitätsbibliothek
Year: 2024
Subjects: subject: carbon capture
subject: Acetobacterium woodii
subject: Clostridium drakei
subject: in situ electrolysis
subject: co-culture
subject: caproic acid
classificationCode: 570
subject: Life Sciences, Biology

description: Syngas fermentation processes have been proposed as promising technology for high value chemical production from one carbon compounds including CO2, reducing both direct carbon emissions and replacing fossil fuels as feedstock in the chemical industry. Among the potential microorganisms able to utilize CO2 as main carbon source, Acetobacterium woodii is one of the most extensively studied and is considered a model organism for acetogens. Its main metabolite is the rather low value product acetic acid; however, recent recombinant strains are capable of producing lactate from CO2 and H2. Using the chain-elongating bacteria Clostridium drakei, a synthetic co-culture has the potential to produce higher value products such as caproic acid. In this study, a synthetic co-culture with the acetogens Acetobacterium woodii and Clostridium drakei in a stirred tank bioreactor, using CO2 and H2 as substrates for the production of caproic acid via the intermediate lactate was successfully developed and established. The H2 for the process was generated in situ with an All-in-One electrode, which was designed for effective H2 generation in any standard bioreactor. Caproate concentrations reached a maximum concentration of 0.1 g/L and a yield from lactate of up to 0.2 g/g. The co-cultivation was found to be beneficial for Clostridium drakei as inhibiting effects observed in pure culture were not noticed during co-cultivations. For the development of the co-culture, both strains were characterized separately. The recently developed strain Acetobacterium woodii ΔlctBCD ΔpyrE [p83_PbgaL_NFP] was found to be the most promising in comparison to other Acetobacterium woodii strains, reaching 0.5 g/L of lactate in the bioelectrochemical system with a volumetric productivity of up to 0.2 g/L d. H2 supply limitation was identified as the major bottleneck for the fermentations with the All-in-One electrode, as conventional gas fermentations with the same Acetobacterium woodii strain yielded 8.1 g/L lactate with a volumetric productivity of up to 2.0 g/L d. Nonetheless, cathode surface enlargement and reduction of Faradaic losses or numbering-up of the All-in-One could increase H2 production and thus lactate production. To the author’s best knowledge, this is the first study to show data of Clostridium drakei cultivations in a stirred-tank bioreactor growing on lactate. The maximum caproate concentration added up to 1.5 g/L with a volumetric productivity of 0.7 g/L d. The inhibitory level of caproic acid was identified at 1.5 g/L. Lastly, a lactate dependent process control was developed for the co-cultivation process, which can adjust the H2 production rate dynamically depending on the lactate concentrations measured online during the cultivation.
description: Syngas-Fermentationsprozesse sind eine vielversprechende Technologie für die Produktion hochwertiger Chemikalien aus CO2, da sie sowohl direkte Kohlenstoffemissionen reduzieren als auch fossile Brennstoffe als Rohstoffe in der chemischen Industrie ersetzen können. Unter den potenziellen Mikroorganismen, die CO2 als Hauptkohlenstoffquelle nutzen können, ist Acetobacterium woodii, eines der am umfassendsten untersuchten Acetogene. Sein Hauptmetabolit ist das eher geringwertige Produkt Essigsäure; neuere rekombinante Stämme sind jedoch in der Lage, Laktat aus CO2 und H2 zu produzieren. Unter Verwendung des kettenverlängernden Bakteriums Clostridium drakei hat eine synthetische Co-Kultur das Potenzial, höherwertige Produkte wie Capronsäure zu produzieren. In dieser Studie wurde eine synthetische Co-Kultur mit den Acetogenen Acetobacterium woodii und Clostridium drakei in einem Rührkessel-Bioreaktor erfolgreich entwickelt und etabliert, wobei CO2 und H2 als Substrate für die Produktion von Capronsäure über das Zwischenprodukt Laktat verwendet wurden. Der Wasserstoff für den Prozess wurde in situ mit einer All-in-One-Elektrode erzeugt, die für eine effektive H2-Erzeugung in jedem Standard-Bioreaktor designed worden ist. Die Caproatkonzentration erreichte einen Maximalwert von 0,1 g/L und eine Laktatausbeute von bis zu 0,2 g/g. Die Co-Kultivierung erwies sich für Clostridium drakei als vorteilhaft, da die in Reinkulturen beobachteten hemmenden Wirkungen bei Co-Kultivierungen nicht präsent waren. Für die Entwicklung der Co-Kultur wurden beide Stämme zunächst getrennt charakterisiert. Der kürzlich entwickelte Stamm Acetobacterium woodii ΔlctBCD ΔpyrE [p83_PbgaL_NFP] erwies sich im Vergleich zu anderen Acetobacterium woodii-Stämmen als der vielversprechendste Stamm und erreichte 0,5 g/L Laktat im bioelektrochemischen System mit einer volumetrischen Produktivität von bis zu 0,2 g/L d. Als limitierender Faktor für die Fermentationen mit der All-in-One-Elektrode wurde die unzureichende H2-Versorgung identifiziert, da herkömmliche Gasfermentationen mit demselben Acetobacterium woodii-Stamm 8,1 g/L Laktat mit einer volumetrischen Produktivität von bis zu 2,0 g/L d lieferten. Nichtsdestotrotz könnte eine Vergrößerung der Kathodenoberfläche bei gleichzeitiger Reduzierung der Faraday-Verluste oder ein Numbering-Up der All-in-One Elektrode die H2-Produktion und damit die Laktatproduktion steigern. Nach bestem Wissen des Autors ist dies die erste Studie, die Daten über die Kultivierung von Clostridium drakei in einem Rührkessel-Bioreaktor zeigt, der auf Laktat wächst. Die maximale Caproatkonzentration betrug 1,5 g/L bei einer volumetrischen Produktivität von 0,7 g/L d. Die Wachstumshemmende Konzentration von Capronsäure wurde mit 1,5 g/L ermittelt. Abschließend wurde für den Co-Kultivierungsprozess eine laktatabhängige Prozesssteuerung entwickelt, die die H2-Produktionsrate in Abhängigkeit von den während der Kultivierung gemessenen Laktatkonzentrationen dynamisch anpassen kann.