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Institut für Umweltverfahrenstechnik ProduktionstechnikFachbereich FB4
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WorkshopHerstellung hochwertiger Chitosane
30. Juni 2006 in Bremen
Das Konzept einer Ganzzell-Biotransformationzur Chitosan-Gewinnung
Dr.-Ing. Michael Schlüter, Dipl.-Ing. Sandra Risse
Prof. Dr.-Ing. Norbert Räbiger
Institut für Umweltverfahrenstechnik ProduktionstechnikFachbereich FB4
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Problemstellung:
Chemische Verfahren verursachen Umweltbelastung
Produkt: Gemisch von Chitosanmolekülen unterschiedlicher Kettenlänge und Deacetylierungsgrade
Hinsichtlich der Nachhaltigkeit kann der Prozess im ökologischen Bereich nicht überzeugen, doch weist er ökonomisch entscheidende Vorteile auf.
Lösungsansatz: Weiße Biotechnologie ???
Institut für Umweltverfahrenstechnik ProduktionstechnikFachbereich FB4
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Problemstellung:
Die Weiße Biotechnologie erfordert Prozesse mit großen Durchsätzen bei hoher Ausbeute und Selektivität sowie konstant hoher Qualität
Fermentationen/Biotransformationen bei kontinuierlicher Prozessführung
Hierbei von besonderer Wichtigkeit:1. Substratsolubilisierung und Substratbioverfügbarkeit2. Enzymkatalysierte Umsetzung3. Produktisolierung
Stofftransportprozesse sind weitgehend unbekannt
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Problemstellung:1. Substratsolubilisierung und Substratbioverfügbarkeit:
Transport zum Biokatalysator Passieren der wässrigen Phase je nach Aggregatzustand und Wasserlöslichkeit des Substrats(evtl. Lösungsvermittler erforderlich)
2. Enzymkatalytische Umsetzung:isolierte Enzyme:
Enzymmembranreaktor, Produktmengen im Multigramm-Maßstabisolierte Enzyme nicht in schützender Umgebung des Zellinneren Reaktionsbedingungen kritisch (Denaturierung, Aktivitätsverlust)
Ganzzell-Biotransformationen: Barrierefunktion der ZellmembranZellmembran muss zweimal überwunden werdenVorgänge innerhalb der Zelle wenig bekannt
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Problemstellung:
Aus: Bioorganikum: Praktikum der Biokatalyse. G. E. Jeromin, M. BertauCopyright © 2005 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim
ISBN: 3-527-31245-5
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Problemstellung:
3. Produktisolierung
Aus Hochzelldichte-Biotransformationen mit ganzen Zellen oft schwierig, da Zellen emulgierende Agenzien ins Medium abgeben.
Extraktion: Lösungsmittel führt zu Gel-, Schleimbildung und behindern Produktextraktion
Abtrennung der Bioemulgatoren über aufwändige dreistufige Membranfiltration (Mikro-, Ultra- und Nanofiltration)
Beispiel Chitosan
Institut für Umweltverfahrenstechnik ProduktionstechnikFachbereich FB4
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Problemstellung bei der Chitosanherstellung:
begrenzte Löslichkeit in Wasser
hohe Reinheit erforderlich
konstante Farbe erforderlich
definierter Deacetylierungsgrad erforderlich
definiertes Molekulargewicht (Viskosität) erforderlich
Institut für Umweltverfahrenstechnik ProduktionstechnikFachbereich FB4
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Lösungsansatz: Biotechnologische Herstellung
Enzymproduktionoder Anzucht vonZellen-Screening-Nährstoffe-Abtrennung
Enzymeoder Zellen Chitin
1) DeacetylierungIm Batch-Verfahren
2) Einstellen der KettenlängenIm Batch-Verfahren
Chitingewinnungz.B. aus Pilzen
Wasser
Trennverfahrenz.B. Membrantrennung
Chitosan
Abwasser
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Derzeitiger Stand des Wissens biotechnologische Herstellung(Substratversorgung und Produktabfuhr durch die Kulturbrühe)
Pilz- Pellet(im durchmischten System)
O2, SO2, Scc
r = R
ww
Pilz - Biofilm (auf CrossFlow-Membran-Rohrmodulen)
Pi, PjPi, Pj
P
Rohr Membranmodul(Wandung)
ww
S cFermentations-brühe
Nährlösung!CS
CS
CS - Nährstoffkonzentrationin der Fermentationsbrühe
Biofilm
Hohe Kosten für die Produkt-(Enzym)-Abtrennung
Der räumlichen Trennung von Substratzu- und Produktabfuhr durch Kombination geeigneter Reaktions- und Trenntechnik wurde bisher wenig Aufmerk-samkeit gewidmet.
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Pilz- Pellet(im durchmischten System)
O2, SO2, Scc
r = R
ww
Pilz - Biofilm (auf CrossFlow-Membran-Rohrmodulen)
Pi, PjPi, Pj
P
Rohr Membranmodul(Wandung)
ww
S cFermentations-brühe
Nährlösung!CS
CS
CS - Nährstoffkonzentrationin der Fermentationsbrühe
Biofilm
Kultivierung bei getrennter Substratversorgung(Räumliche ‚Trennung‘ von Nährstofftransport und Produktabfuhr)
Als Problemlösung eignet sich die am IUV entwickelte Technik der getrennten Substratversorgung(Membran-Biofilm-Verfahren)
Steigerung der Wirtschaftlichkeitdurch einfachere Produktabtrennung
Institut für Umweltverfahrenstechnik ProduktionstechnikFachbereich FB4
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Gezielte Einstellung von Substratprofilen
Sauerstoff-konzentration
Begasungsmembran
Kohlenstoff-Substrat-konzentrationAmmonium-Stickstoff-konzentrationNitrat-Stickstoff-konzentration
Biofilm Abwasser
... am Beispiel derNitrifikation/Denitrifikation
Institut für Umweltverfahrenstechnik ProduktionstechnikFachbereich FB4
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Messung von Profilen im Biofilm mit Nadelsonden
In Kooperation mit dem Max Planck Institut für Marine Mikrobiologie (MPI, Bremen)
Walter, B., Haase, C., Räbiger, N.: Combined nitrification/denitrification in a membrane reactor. Water Research 39 (2005) 2781–2788
Institut für Umweltverfahrenstechnik ProduktionstechnikFachbereich FB4
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Pilotanlage zur Nitrifikation-/Denitrifikation mit selektiver Substratversorgung
Institut für Umweltverfahrenstechnik ProduktionstechnikFachbereich FB4
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CO2,S
O , Substrat2
Produkte
Luftblase (Sauerstoff)
Pilz-Pellet
CO2,S
O , Substrat2
Produkte
Luftblase (Sauerstoff)
Pilz-Pellet
Problem bei Pilz-Pellets:Konzentrationsprofile im Pellet führen zuUnterversorgung des Pelletzentrums und hoher Substratkonzentration im produktführenden MediumKultivierung bei getrennter Substratversorgung(Räumliche ‚Trennung‘ von Nährstofftransport und Produktabfuhr) CO2,S
O , Substrat2
Produkte
Biofilm
KeramikmembranNährlösung
Fermentations-brühe-
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Glas-Labormodul mit keramischer Membran zur Erprobungverschiedener Membranen, Betriebsweisen, Nährlösungen... ...im Labormaßstab in Parallel-Ansätzen
Bestimmung der Enzymaktivität, Optische Verfolgung des Pilzwachstums/Messung der Biofilmdicke
Institut für Umweltverfahrenstechnik ProduktionstechnikFachbereich FB4
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ZusammenfassungVerwendung von Pilzpellets führt aufgrund von Stofftransportlimitierung zu einer unbefriedigenden Substratversorgung im Pilz.
Pilz zur Produktion von Deacetylasen geht feste Verbindung mit Keramikmembran ein, ohne Poren zu verblocken.
Membranreaktor mit selektiver Substratversorgung und Produktabfuhr ermöglicht die Einstellung definierter Profile im Biofilm.
Ansatz der kontinuierlichen Ganzzell-Biotransformation wird derzeit getestet.