Biobased Adipic Acid - Challenges in Establishing a Cell Factory

Doctoral thesis, 2019

För att minska vår klimatpåverkan måste samhället ställa om till en biobaserad ekonomi. I den biobaserade ekonomin, ersätter förnyelsebara råvaror de fossila för en mer hållbar produktion av de bränslen och kemikalier som vi behöver. I Sverige har vi en mycket god tillgång till skogsbiomassa som är en viktig resurs för att utveckla Sveriges bioekonomi. Uppgradering av biomassa till värdefull slutprodukt sker i ett bioraffinaderi där mikroorganismer kan utnyttjas som katalysatorer för den biokemiska omvandlingen. En efterfrågad produkt från biomassa är adipinsyra som används för produktion av nylon och som idag framställs från fossila råvaror. Mikrobiell framställning av adipinsyra från biomassa är idag möjlig men resultaten som rapporterats är långt ifrån industriellt relevanta.

I min avhandling undersöker jag möjligheten att designa mikroorganismer, genom att uttrycka nya enzymer, för produktion av adipinsyra från biomassa. Jag utvärderar och diskuterar alternativ föreslagna i litteraturen, för mikrobiell omvandling av glukos till adipinsyra. En av de föreslagna vägarna är att omvandla glukos till adipinsyra via aminosyran lysin. Produktion av lysin är naturligt förekommande hos många mikroorganismer och utförs i industriell skala. Utmaningen med denna väg är att flertalet av de biokemiska reaktioner som krävs innefattar enzym som ännu inte identifierats. I avhandlingen ger jag förslag på alternativa vägar från lysin till adipinsyra med färre antal biokemiska reaktioner som utförs av hittills ej identifierade enzym. Jag ger även förslag på hur två kända enzym; Oye1 och NemA, kan designas för att kunna utföra en av de eftertraktade biokemiska reaktionerna där det ännu inte finns något känt enzym identifierat.

Vid industriell produktion av adipinsyra krävs det att den biobaserade processen når höga koncentrationer av adipinsyra (50–100 g/L) för att den ekonomiskt ska kunna konkurrera med den fossila produktionen. Vidare är det fördelaktigt om processen kan utföras vid ett lågt pH (lägre än 5) då det förenklar uppreningen av adipinsyra i nedströmsprocesser och minskar den totala produktionskostnaden. I mitt arbete undersökte jag därför olika mikroorganismers förmåga att växa vid industriellt relevanta processförhållanden. Jästen Candida viswanathii identifierades som mikroorganismen med bäst potential att klara en hög koncentration av adipinsyra vid ett lågt pH. Från en jämförande studie med den mycket välkända jästen Saccharomyces cerevisiae visade det sig att skillnader i cellmembranet, där C. viswanathii har ett tjockare och potentiellt tätare packat membran än S. cerevisiae, kan vara en anledning till dess goda tolerans till adipinsyra.

Sammantaget ger min forskning en god grund för fortsatt utveckling av biobaserad produktion av adipinsyra med hjälp av mikroorganismer och därmed ett steg närmre omställningen till en biobaserad ekonomi.