Microbial production of cis,cis-muconic acid from hydrothermally converted lignocellulose

Abstract

Cis,cis-muconic acid, a chemical of recognized commercial value, receives increasing interest to be produced from renewables. Catabolic microbial pathways can be tailored to accumulate cis,cis-muconic acid from a range of aromatic compounds. A renewable, sustainable and under-valued resource for aromatics is lignin. In this work, using hydrothermal conversion, several lignin types were depolymerized into hydrolysates with up to 615 mM aromatic monomer content. Catechol-rich hydrolysates were generated for bioconversion with the previously developed cis,cis-muconic acid producers P. putida MA-9 and C. glutamicum MA-2, whereas hydrolysates were guaiacol-rich for Amycolatopsis sp. MA-2. When grown with glucose as a co-substrate, C. glutamicum MA-2 yielded 2.6 g L-1 (100 % yield) cis,cis-muconic acid from catechol. Towards an even more sustainable process, glucose was then replaced by hemicellulose, a nonfood renewable. Hemicellulose, a co-constituent of lignin in lignocellulose, was hydrothermally converted into a mixture of C5 and C6 sugars. As hemicellulose was mainly converted into xylose (91 % yield), C. glutamicum MA-2 was engineered to utilize this pentose. Fed-batch bioconversion on a catechol-rich Kraft lignin hydrolysate as well as a hemicellulose hydrolysate using C. glutamicum MA-4 yielded 4 g L-1 muconic acids. As the developed process was non-competitive to feed and food, it is a promising starting point for future application in bio-based industrial settings.

Für Cis,cis-Mukonsäure, eine wichtige Chemikalie, gibt es großes Interesse diese auf Basis nachwachsender Rohstoffe herzustellen. Mikrobielle Stoffwechselwege können mittels biotechnologischer Methoden so angepasst werden, dass cis,cis-Mukonsäure auf Basis von aromatischen Verbindungen akkumuliert. Eine erneuerbare, nachhaltige und kaum genutzte Quelle für Aromaten ist Lignin. Mittels hydrothermaler Umsetzung wurden verschiedene Lignintypen depolymerisiert, um Hydrolysate mit bis zu 615 mM aromatischem Inhalt zu erzeugen. Hydrolysate mit hohem Catecholgehalt wurden für Umsetzungen mit vorher entwickelten Mukonsäureproduzenten P. putida MA-9 und C. glutamicum MA-2 erstellt. Hydrolysate mit hohem Guaiacolgehalt wurden mit Amycolatopsis sp. MA-2 getestet. C. glutamicum MA-2 erreichte 2,6 g L-1 (100 % Ausbeute) cis,cis-Mukonsäure mit Glucose als Co-Substrat. Um einen vollständig erneuerbaren Prozess zu gestalten, wurde Glucose durch Hemicellulose ersetzt. Hemicellulose, wurde mittels hydrothermaler Umsetzung zu C5 und C6 Zuckern depolymerisiert. Da als Hauptprodukt Xylose (91 % Ausbeute) gewonnen wurde, wurde C. glutamicum MA-2 weiterentwickelt um diesen C5 Zucker zu nutzen. Bei Umsetzung auf IndulinAT Hydrolysat und Hemicellulose Hydrolysat mit C. glutamicum MA-4 wurden 4 g L-1 Mukonsäuren erreicht. Da dieser Prozess nicht mit der Futter- und Nahrungsindustrie konkurriert, ist er daher ein vielversprechender Startpunkt für zukünftige Anwendungen in einer bio-basierten Industrie.