Der weltweite Wandel weg von fossilen Ressourcen, angetrieben durch den Klimawandel und das Streben nach Nachhaltigkeit, hat Ressourcenkarten und Lieferketten grundlegend verändert. Infolgedessen ist die Nachfrage nach erneuerbaren Rohstoffen als Ersatz für fossile Brennstoffe, Chemikalien und Kunststoffe sprunghaft angestiegen. Eine zentrale politische und wissenschaftliche Antwort auf diese Herausforderungen ist die Förderung einer zirkulären Bioökonomie, die auf erneuerbaren Ressourcen basiert. Während erneuerbare Energien den Energiebedarf decken, hat sich Biomasse als primäre Ressource für die chemische Industrie etabliert und das interdisziplinäre Feld der Multiprodukt-Bioraffinerien hervorgebracht. Lignocellulose-Biomasse aus Land- und Forstwirtschaft wurde bereits umfassend erforscht, doch Mikroalgen- und Cyanobakterien-Biomasse stellen aufgrund hoher Anbau- und Investitionskosten eine vielversprechende, aber noch wenig genutzte Alternative dar. Diese Arbeit leistet einen Beitrag zur Entwicklung von Bioraffineriekonzepten durch die Untersuchung der Biomassezusammensetzung, fermentativer Prozesse, Strategien zur Mehrproduktgewinnung und einer Nachhaltigkeitsbewertung über den gesamten Lebenszyklus (LCSA). Konkret wurde die Biomasse von sieben Nostoc-Stämmen untersucht und deren komplexe Heteroglykan-Saccharidprofile detailliert analysiert. Diese Profile zeigten eine Reihe von Komponenten, darunter neutrale Zucker, Uronsäuren, Aminozucker und verschiedene methylierte Zucker. Darüber hinaus wurde die Biokomposition von drei wichtigen Nostoc-Stämmen – Nostoc sp. De1, Nostoc sp. Cc3 und Nostoc muscorum I – bewertet, wobei der Gehalt an Feuchtigkeit, Asche, Lipiden, Stärke, Struktur-Sacchariden und Protein quantifiziert wurde. Industrielle Enzyme wurden hinsichtlich ihrer Fähigkeit zur Saccharifizierung und Solubilisierung der Biomasse getestet, wodurch sowohl die Komplexität der Nostoc-Heteroglykane als auch die Herausforderungen ihrer industriellen Nutzung verdeutlicht wurden. Dennoch wurde eine ausreichende Biomasse-Solubilisierung erreicht, wodurch der Weg für potenzielle Bioraffinerie-Anwendungen geebnet wurde. Des Weiteren, befasste sich diese Arbeit mit der Herausforderung, Enzymproduktionsstämme zu optimieren und günstige Bedingungen für die Enzymexpression zu ermitteln. Die Enzymproduktion selbst birgt Schwierigkeiten, beispielsweise die Notwendigkeit, Sekundärrohstoffe zu verwenden. Durch einen ganzheitlichen und integrativen Ansatz zur Bioprozessentwicklung konnten in dieser Studie rasch verbesserte Bedingungen für die Enzymexpression und -sekretion identifiziert werden, wobei cyanobakterielle Abfallbiomasse zur Unterstützung der Fermentation von Pichia pastoris genutzt wurde. Dies wurde durch die Produktion von Phytase demonstriert, die von P. pastoris sezerniert wurde, das auf Cyanobakterienhydrolysat und gepuffertem Glycerin-Komplex-Medium (BMGY) kultiviert wurde. Die genetischen Expressionsbedingungen wurden mittels Hochdurchsatz-Screening einer randomisierten Sekretionsbibliothek optimiert. Zusätzlich wurde ein Konzept für eine Mehrprodukt-Bioraffinerie entwickelt, das auf dem Cyanobakterienstamm Cylindrospermum alatosporum CCALA 988 basiert. Dieser Stamm ist bekannt für die Produktion hochwertiger cyclischer Lipopeptide wie Puwainaphycine (PUWs) und Minutisamide (MINs). Es wurde eine sequenzielle Extraktionsstrategie untersucht, gefolgt von einer enzymatischen Hydrolyse der Restbiomasse. Diese diente als Mediumzusatz in Fermentationen mit P. pastoris, zur E. coli-Phytase Expression. Eine Massenbilanz im Labormaßstab wurde erstellt und wichtige Produkte wie PUWs, MINs, Phycobiliproteine und Pigmente identifiziert. Die Ergebnisse eines 1-Liter-Fermentationssystems unterstützten die Weiterentwicklung dieses Bioraffineriekonzepts. Abschließend wurde für die geplante Bioraffinerie mit C. alatosporum CCALA 988 eine Lebenszyklus-Wirksamkeitsanalyse (LCSA) durchgeführt. Diese umfasste vier Schritte: die Zusammenstellung von Annahmen aus Literaturdaten, die Synthese eines Prozesses im industriellen Maßstab, die Bewertung der Umweltauswirkungen und die Beurteilung der Wirtschaftlichkeit. Zukünftige Forschung sollte sich auf die Skalierung des Bioraffineriekonzepts und die Verbesserung der Solubilisierung von Restbiomasse konzentrieren. Darüber hinaus ist die Optimierung des Fermentationsprozesses von P. pastoris in größeren Anlagen für eine kommerzielle Anwendung unerlässlich.     «

Der weltweite Wandel weg von fossilen Ressourcen, angetrieben durch den Klimawandel und das Streben nach Nachhaltigkeit, hat Ressourcenkarten und Lieferketten grundlegend verändert. Infolgedessen ist die Nachfrage nach erneuerbaren Rohstoffen als Ersatz für fossile Brennstoffe, Chemikalien und Kunststoffe sprunghaft angestiegen. Eine zentrale politische und wissenschaftliche Antwort auf diese Herausforderungen ist die Förderung einer zirkulären Bioökonomie, die auf erneuerbaren Ressourcen basier...     »