Das Konzept einer Ganzzell-Biotransformation zur Chitosan ... · Institut für Umweltverfahrenstechnik Produktionstechnik Fachbereich FB4 V Workshop Herstellung hochwertiger Chitosane

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


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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 ???


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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


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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


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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


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Gezielte Einstellung von Substratprofilen

Sauerstoff-konzentration

Begasungsmembran

Kohlenstoff-Substrat-konzentrationAmmonium-Stickstoff-konzentrationNitrat-Stickstoff-konzentration

Biofilm Abwasser

... am Beispiel derNitrifikation/Denitrifikation


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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


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Pilotanlage zur Nitrifikation-/Denitrifikation mit selektiver Substratversorgung


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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


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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.

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