Analyseeinrichtung Bioverfahrenstechnik (Mini-Plant-Anlage)
Final Report Abstract
Das Großgerät, bestehend aus einem Multifermentersystem mit integrierter Aufarbeitungs- und Analyseneinheit, wurde aufgrund seiner breiten Einsatzmöglichkeiten in diversen Forschungsprojekten angewandt und stellt ein zentrales System dar, welches die Grundlagenforschung des Lehrgebiets für Bioverfahrenstechnik der TU Kaiserslautern eingehend stärkt hat. Die Forschungsprojekte in denen das Großgerät zur Anwendung kam bzw. kommt, lassen sich in folgende Schwerpunkte gliedern: a) Kultivierung pflanzlicher Zellkulturen und Biotransformation sekundärer Pflanzeninhaltstsoffe, b) Gewinnung von Bulkund Feinchemikalien aus Nachwachsenden Rohstoffen, c) Entwicklung von in-situ Product-Removal- Systemen, d) Denitrifikation von Molke. Im Rahmen der Kultivierung pflanzlicher Zellkulturen (Salvia sp.) wurde das Großgerät insbesondere für die Kultivierung und Aufkonzentrierung der resultierenden Biomasse nach Abschluss der Fermentation genutzt. Darüber hinaus wurde das Fermentersystem auch zur Anzucht von Ganzzellbiokatalysatoren eingesetzt, welche nachfolgend für eine Biotransformation von Triterpensäuren angewandt wurden. Die Überwachung der Biotransformation erfolgte mit Hilfe des integrierten HPLC-Analysensystems. Momentan wird versucht, einen integrierten Bioprozess mit Hilfe der Fermenterkaskade und der Cross-Flow-Filtrationseinheit zu entwickeln, der eine Fermentation und Aufarbeitung pflanzlicher Zellkulturen mit einer nachfolgenden mikrobiellen Ganzzellbiotransformation der sekundären Inhaltsstoffe der Salbeizellen erlaubt. Auf dem Gebiet der Nutzung Nachwachsender Rohstoffe zur Gewinnung von Bulk- und Feinchemikalien konnte das System erfolgreich zur Hydrolyse natürlicher C-Quellen (z.B. Holz) eingesetzt werden. Der Prozess konnte dahingehend optimiert werden, dass mittels der Reaktorkaskade ein SSF-Verfahren (Simultaneous Saccharification and Fermentation) etabliert wurde, mit welchem die Ausbeute an Alkohol auf ein wirtschaftlich interessantes Niveau gesteigert wurde. Des Weiteren wurden kontinuierliche Verfahren zur Produktion industriell relevanter Building Blocks aus Glycerin (z.B. Dihydroxyaceton, Alkohole), welches sowohl aus der Biodieselherstellung als auch aus der enzymatischen Spaltung pflanzlicher Öle stammte, etabliert. Eine weitere Forschungsarbeit dieses Themenfelds beschäftigt sich mit der Aufreinigung eines sulfatierten Polysaccharids (Fucoidan) aus der Makroalge Fucus vesiculosus. Im Rahmen des Downstream- Processings konnte die Cross-Flow-Filtrationseinheit des Großgeräts erfolgreich zur Bereitstellung eines hochaufgereinigten Fucoidans eingesetzt werden. Dieses steht nun für Tests an Zellkulturen und für eine eingehende Strukturanalytik zur Verfügung. Diese Versuche können klären, inwiefern die in der Literatur berichteten vielfältigen biologischen Aktivitäten tatsächlich auf den sulfatierten Zucker zurückzuführen sind, oder ob gegebenenfalls geringe Gehalte an Alginaten und Polyphenolen, resultierend aufgrund unzureichender Aufarbeitungsverfahren, für die biologische Aktivität verantwortlich sind. Ein großes Problem bei der Produktion von β-Lactam-Antibiotika ist deren unzureichende Stabilität im Fermentationsmedium, was letztendlich in einer verminderten Produktausbeute im Fermentationszeitraum resultiert. Mit Hilfe von in-situ Product Removal Applikationen wird derzeit versucht, das β-Lactam selektiv aus dem Kultivierungsmedium zu entfernen, um somit höhere Produktausbeuten zu erzielen. Die entwickelte Technik basiert auf der Bereitstellung einer selektiven Adsorberphase, aufgebracht auf superparamagnetischen Magnetpartikeln, die zu bestimmten Zeitpunkten in das Fermentationsmedium eingebracht werden. Über einen Bypass kann dann das selektiv an die Magnetpartikel gebundene β-Lactam von der Kulturbrühe separiert werden. Nach der Elution der Zielverbindung ist ein recyclierter Einsatz der Magnetpartikel möglich. Dieses System wurde erfolgreich mit der Mini-Plant-Anlage gekoppelt. Des Weiteren konnten sowohl die Fermenterkaskade und die membranbasierte Aufreinigungseinheit nachhaltig für die Entwicklung eines Verfahrens zur Denitrifikation von Molke eingesetzt werden. Der für die Denitrifikation des Rohstoffs relevante Mikroorganismus (Paracoccus denitrificans) konnte unter verschiedenen Bedingungen in der Bioreaktorkaskade kultiviert und nachfolgend zur Denitrifikation (Einsatz der Zellen in nativer und immobilisierter Form) unter Anwendung der Aufreinigungseinheit eingesetzt werden. Mit dem dabei entwickelten Verfahren konnte eine wirtschaftliche Denitrifikation der Molke erzielt werden.
Publications
- Innovative Verfahren in der Molkeaufarbeitung. Deutsche Molkerei Zeitung 7 (2009) 20-23
R. Ulber
- Biosynthesis of ursolic acid derivatives by microbial metabolism of ursolic acid with Nocardia sp strains-Proposal of new biosynthetic pathways. Process Biochemistry (2010), 7, 1043-1051
D. Leipold, G. Wünsch, M. Schmidt, H.-J. Bart, T. Bley, N. E. Neuhaus, H. Bergmann, E. Richling, K. Muffler, R. Ulber
- Gras-Silage als Rohstoff für die chemische Industrie. Chem. Ing. Tech. 82 (2010) 1153-1159
T. Sieker, A. Neuner, D. Dimitrova, N. Tippkötter, H.-J. Bart, E. Heinzle, R. Ulber
- P. denitrificans for the continuous denitrification of high salinity process water. Biotechnology Progress (2010), 26, 756-762
N. Tippkötter, W. Roikaew, R. Ulber
- Prozessintegration von Hydrolyse und Fermentation von Cellulose-Faserstoff. Chem. Ing. Tech. 82 (2010) 135-139
S. Poth, M. Monzon, N. Tippkötter, R. Ulber
- Reaktionssysteme zur Aufarbeitung und Umsetzung nachwachsender Rohstoffe - Einsatz chromatographischer Verfahren sowie Membran- und Festbettreaktoren zur Verarbeitung von Molke, Stärke und Cellulose. Dissertation, Logos Verlag, Berlin 2010
N. Tippkötter
- First Steps in the Process Development for Ethanol Production from Grass Silage by Simultaneous Pretreatment, Saccharification and Fermentation. Eng. Life Sci. 4 (2011) 436–442
T. Sieker, R. Ulber
- Lignocellulosic biorefinery: process integration of hydrolysis and fermentation (SSF process). Holzforschung (2011), 65, 633-637
S. Poth, M. Monzon, N. Tippkotter, R. Ulber
