Marianne Volkmar

• Considering the depletion of fossil fuels, the ongoing climate crisis, and geopolitical developments, it is evident that the current fossil-based industry is not sustainable. A key strategy for addressing these challenges is the decarbonization of industry, which involves transitioning to clean energy sources and alternative carbon feedstocks to reduce CO2 emissions. Central to this transformation is the shift from a linear economy to a circular bioeconomy. In its context, materials previously considered waste are redefined as valuable resources. Given its composition and abundance, lignocellulosic biomass represents a promising alternative feedstock. Municipal green waste encompasses all lignocellulosic biomass generated in urban areas. It offers the advantage of not competing with agricultural land use and currently lacks economically viable applications, making it an attractive feedstock for biotechnological processes. This work introduces the concept of municipal green waste and evaluates its potential. The necessity of pretreating lignocellulosic biomass is analyzed. It is demonstrated that both the press juice from herbaceous biomass and the enzymatic hydrolysate of hydrothermally pretreated biomass with a higher lignin content can serve as a fermentation medium or medium supplement for a range of microorganisms. Saccharomyces cerevisiae, Lactobacillus delbrueckii subsp. lactis, Clostridium acetobutylicum, and Ustilago maydis were successfully cultivated on media derived from municipal green waste to produce solvents and organic acids. Since pretreatment is often the most cost-intensive step, press juice from herbaceous biomass is identified as the most promising substrate due to the low pretreatment requirements and associated cost benefits. To enable industrial-scale implementation, a comprehensive understanding and optimization of the microbial cultivation processes are essential. Therefore, a protocol for a robust cultivation process of C. acetobutylicum was developed. Furthermore, the impact of oxygen supply – a critical parameter for scaling up – was investigated during the cultivation of U. maydis. Modulating the oxygen regime may provide a cost-effective tool to enhance productivity in this organism. The present work demonstrates the viability of municipal green waste as a feedstock to produce platform chemicals and therefore contributes to developing a new carbon source for the chemical industry. In doing so, it supports both the decarbonization of industrial processes and the transition toward a more circular bioeconomy.
• In Anbetracht endlicher fossiler Brennstoffe, der anhaltenden Klimakrise und geopolitischer Entwicklungen ist es offensichtlich, dass die derzeitige auf fossilen Brennstoffen basierende Industrie nicht nachhaltig ist. Eine Schlüsselstrategie zur Bewältigung dieser Herausforderungen ist die Dekarbonisierung der Industrie, das heißt der Übergang zu sauberen Energiequellen und alternativen Kohlenstoffrohstoffen, um die CO2-Emissionen zu verringern. Von zentraler Bedeutung für diesen Wandel ist die Umstellung von einer linearen Wirtschaft auf eine zirkuläre Bioökonomie. In diesem Kontext werden Materialien, die bisher als Abfall galten, als wertvolle Ressourcen neu definiert. Lignozellulosehaltige Biomasse ist aufgrund ihrer Zusammensetzung und ihrer Häufigkeit ein vielversprechender alternativer Rohstoff. Kommunaler Grünschnitt umfasst alle lignozellulosehaltige Biomasse, die in städtischen Gebieten anfällt. Er hat den Vorteil, dass er nicht mit landwirtschaftlicher Flächennutzung konkurrieren und derzeit nicht wirtschaftlich genutzt wird, was ihn zu einem attraktiven Ausgangsmaterial für biotechnologische Prozesse macht. In dieser Arbeit wird das Konzept des kommunalen Grünschnitts vorgestellt und sein Potenzial bewertet. Die Notwendigkeit der Vorbehandlung von lignozellulosehaltiger Biomasse wird analysiert. Es wird gezeigt, dass sowohl der Presssaft aus grasartiger Biomasse als auch das enzymatische Hydrolysat aus hydrothermisch vorbehandelter Biomasse mit höherem Ligningehalt als Fermentationsmedium oder Mediumszusatz für eine Reihe von Mikroorganismen dienen kann. Saccharomyces cerevisiae, Lactobacillus delbrueckii subsp. lactis, Clostridium acetobutylicum und Ustilago maydis wurden erfolgreich auf Medien kultiviert, die aus kommunalem Grünschnitt gewonnen wurden, um Lösungsmittel und organische Säuren zu produzieren. Da die Vorbehandlung häufig der kostenintensivste Schritt ist, wurde Presssaft aus grasartiger Biomasse aufgrund der geringen Vorbehandlungsanforderungen und der damit verbundenen Kostenvorteile als das vielversprechendste Substrat identifiziert. Um eine Umsetzung im industriellen Maßstab zu ermöglichen, sind ein umfassendes Verständnis und eine Optimierung der mikrobiellen Kultivierungsprozesse unerlässlich. Daher wurde ein Protokoll für den robusten Kultivierungsprozess von C. acetobutylicum entwickelt. Darüber hinaus wurde der Einfluss der Sauerstoffzufuhr – ein kritischer Parameter für das Scale-up – während der Kultivierung von U. maydis untersucht. Die Modulation des Sauerstoffregimes könnte ein kosteneffizientes Instrument zur Steigerung der Produktivität dieses Organismus darstellen. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass kommunale Grünabfälle als Ausgangsmaterial für die Herstellung von Plattformchemikalien geeignet sind, und trägt somit zur Entwicklung einer neuen Kohlenstoffquelle für die chemische Industrie bei. Auf diese Weise unterstützt sie sowohl die Dekarbonisierung industrieller Prozesse als auch den Übergang zu einer stärker kreislauforientierten Bioökonomie.