ERA-NET: Bioprocesses for the optimized, integrated production of butyl esters from sustainable resources

ERA-CoBioTech-prosjektet BESTER hadde som mål å utvikle bioprosesser med clostridiebakterier for en optimert og integrert produksjon av en rekke ulike butylestere for forbrukskjemikaliemarkedet. Lignocellulose-sukre som bærekraftig råstoff skulle brukes i effektive syreproduksjonsprosesser, som kan kobles opp mot aceton-butanol-etanol (ABE)-fermenteringsprosesser på tilsvarende råmaterialer. På en koordinert måte gjennomførte vi i BESTER forskningsarbeid innenfor nøkkelområdene til en mer effektiv produksjon av tre utvalgte organiske syrer: a) Systembiologi ledet stammeutvikling ved bruk av syntetisk biologi-prinsipper til etablering av ny produksjon av syrer i passende Clostridium chassis-stammer og å minske metabolske flaskehalser som hindrer høy produktivitet; b) Smarte prosess¬konfigurasjoner og prosessintegrering for å minske uønskede inhiberingseffekter fra syreproduksjonen og den tilsatte butanolen i en effektiv bioprosess med kontinuerlig enzymatisk esterdannelse og isolering. Prosjektet, ledet av SINTEF, ble gjennomført av sju prosjektpartnere fra Norge, Storbritannia (2), Tyskland (3) og Frankrike for å maksimere utbyttet av dette industri-ledede prosjektet og å dele risikoer, kostnader og ferdigheter. I denne siste rapporteringsperioden har SINTEF fokusert arbeidet sitt på å fremskaffe og bearbeide forskningsdata som grunnlag for felles publikasjoner med de andre prosjektpartnerne. Flere fermenteringseksperimenter ble gjennomført ved bruk av bakteriestammer optimert av våre prosjektpartnere i Tyskland og Storbritannia. Proteomdata ble bearbeidet til forbedring av metabolske modeller som ble utviklet av våre partnere i Tyskland. Dessuten ble forestringsreaksjonen studert videre i sammenheng med integrerte prosess-skjemaer utviklet av våre partnere i Frankrike. I tillegg planla og gjennomførte vi prosjektets siste workshop sammen med våre partnere i Storbritannia. Avslutning av prosjektet ble koordinert av SINTEF i tett samspill med alle våre prosjektpartnere.

The BESTER project has been in full support of the ongoing and urgently needed transition to a more sustainable production of commodity chemicals from 2nd generation renewable resources. It has strengthened the position of industrial biotechnology in the production of crucial chemical building blocks for a variety of products and markets and opened new options for Clostridia in bioprocesses that eventually can replace fossil-based production at a competitive price, with low environmental impact, and broad public acceptance. The project further strengthened the position of systems and synthetic biology as powerful tools in the engineering of bacterial production strains for optimised productivity and process stability. For the participating project partners, and SINTEF as the coordinator, the project has enabled new, solid connections across academia, the institute sector, and industry in Europe based on complementary competences and common interest in a more sustainable future.

The specialty chemical industry is a $450 billion market within the $5.4 trillion global chemical market. In this, butyl esters, derivable from n-butanol (BuOH) and suitable organic acids by esterification, have diverse uses as commodity chemicals and biofuels, but also in the fragrance and flavour industry, cosmetics, specialty polymers and coatings. The production of BuOH in the anaerobic clostridial ABE fermentation process is well established. What is needed are efficient processes to produce suitable organic acids from renewable resources for esterification, ideally using enzymes as natural catalysts for entirely green butyl ester formation. The ERA-CoBioTech project BESTER establishes clostridial bioprocesses for an optimized integrated production of a range of different butyl esters using lignocellulosic sugars as a sustainable feedstock for the commodity chemicals market. Efficient organic acid production processes will be developed, linkable to ABE fermentation processes on similar feedstock as a source of BuOH. BESTER will thereby address in a coordinated way the two key handles for efficient production of three different acids, i.e. a) Systems biology driven strain engineering using Synthetic biology principles to establish new acid production in suitable clostridial chassis strains and mitigate key metabolic bottlenecks hampering high productivity, and b) smart process design and integration to prevent inhibitory effects of the acids produced and the BuOH added in efficient bioprocesses with continuous enzymatic ester product formation and recovery. The BESTER project connects six project partners from Norway, UK, Germany, and France to maximise output of this substantially industry-driven project and share risks, costs and skills. Active company involvement will ensure that project results are efficiently taken further towards commercialization. In this way, BESTER will contribute to achieving a sustainable bio-based industrial development in Europe.