Forschung und Entwicklung

Die anwendungsnahe Forschung und Entwicklung der Arbeitsgruppe beschäftigt sich vorrangig mit folgenden Themenstellungen der Bioverfahrenstechnik. Dabei stehen die verfahrenstechnischen Fragestellungen, wie z. B. SIP- und CIP-fähige Konstruktionen (Aseptic design), Quantifizierung der Trennleistungen mittels On-line-Messmethoden, Prozessintegrationen (In-situ product removel) und Prozess-Steuerungen bzw. Prozess-Automatisierung im Fokus der Arbeiten.

Fermentative Gewinnung von biotechnischen oder biopharmazeutischen Produkten aus nachwachsenden Rohstoffen mittels P. pastoris und Glkycerin und Methanol als Substrate

In diesem Forschungsfeld liegt der Fokus auf der Etablierung ressourcenschonender Herstellungsverfahren auf Basis nachwachsender Rohstoffe. Der Mikroorganismus Pichia pastoris wird hier als Pro­duktionsorganismus eingesetzt. Für das Zellwachstum kann P. pastoris auf dem Substrat Glycerin angezogen werden. Glycerin ist als Nebenprodukt der Biodieselherstellung ein Substrat, das aus nach­wachsenden Rohstoffen gewonnen wird. Für P. pastoris existieren zudem bereits Vek­toren, mit denen die Produktion von Proteinen oder Enzymen mit Methanol induziert werden kann. Gleichzeitig kann Methanol das Glycerin als Substrat ersetzen und in dieser Prozessphase als einziges Substrat verwendet werden. Auch Methanol ist aus nachwachsenden Rohstoffen über den Weg der Biomassevergasung zugänglich (Biomass-to-Liquid). Aufgrund dieser Substrat-Verträglichkeit eignet sich P. pastoris deshalb hervorragend für ressourcenschonende Prozesse als Mikroorganismen, die z. B. Glukose als Substrat und Spezialchemikalien (wie z. B. Isopropyl-β-D-thiogalacto­pyranosid) zur Induktion benötigen.

Fermentative Gewinung von biopharmazeutischen Produkten mit Pilzen in Submerskultur

Im Rahmen des Forschungskollegs "Intelligente Prozessentwicklung - von der Modellierung bis zum Produkt (iProcess)" in dem Arbeitsgruppen der TU Kaiserslautern, der HS Trier und der TH Bingen zusammenarbeiten, wird die Produktion von Protease-inhibierenden Substanzen mittels Pilzen untersucht. Als Organismus kommt zur Zeit Penicillium antarcticum IBWF 040-09 des Instituts für Biotechnologie und Wirkstoff-Forschung (IBWF) zum Einsatz. Diese Arbeiten werden zudem in Kooperation mit der JGU Mainz durchgeführt. Die Protesae-hemmende Substanz könnte zukünftig eine wichtige Rolle in der Bekämpfung der afrikanischen Tryponosomiasis (Schlafkrankheit) spielen. Die Arbeiten fokussieren auf eine Optimierung der Fermentationsstrategie, da die Protease-hemmende Substanz intrazellulär vorliegt und deshalb mit einer Optimierung der Zellmasse auch eine Erhöhung der Produktausbeute einhergeht.

Magnetische Enzyme

Der Einsatz von Enzymen, die auf magnetischen Trägerpartikeln immobilisiert sind, hat den Vorteil, dass sich die Enzyme durch Magnetseparatoren leicht von der Reaktionsmischung abtrennen lassen. Die Arbeiten werden in enger Zusammenarbeit mit der TU Kaiserslautern, Lehrgebiet Bioverfahrenstechnik durchgeführt.  Beide Hochschulen führten im Rahmen des Forschungskollegs MAGNENZ kooperative Promotionen auf dem Gebiet der magnetischen Enzyme durch.

Da bei der Biotransformation trägergebundene Katalysatoren, wie z. B. Enzyme, ver­wen­det werden, stellen Strömungsbedingungen in den Bioreaktoren und die not­wen­di­ge Fest/Flüssig-Trennung nach der Reaktion definierte Anforderungen an Art und Mindest-Grö­ße der Trägerpartikel. Diese Anforderungen ändern sich, wenn ein magnetisches Feld zur Fest/Flüssig-Trennung eingesetzt wird. Es ergeben sich insbesondere bzgl. der Partikelgröße Vorteile beim Einsatz magnetischer Träger. Zum Recycling der En­zym-Magnetpartikel können diese mit Magnetfiltern von der Reaktionssuspension abge­trennt werden, da die magnetische Filtermatrix ausschließlich die magnetisier­baren Enzym-Magnetpartikel im Filter zurück hält. Dies erlaubt die selektive Ab­trennung des Biokatalysators sowohl von gelösten Bestandteilen als auch von weiteren, nicht magnetisierbaren Feststoffen. Ein weiterer Vorteil der Magnet­separation liegt in den hohen erzielbaren magnetischen Kräften auch auf kleinste magnetisierbare Subs­tanzen. Aufgrund dessen können die Enzym-Magnetbeads im Vergleich zu her­kömmlichen Enzymträgern wesentlich kleiner sein, da letztere für eine wirtschaftliche Abtrennung einen größeren Partikeldurchmesser aufweisen müssen. Die Enzym-Magnetbeads können daher bei gleicher Masse eine größere äußere Ober­fläche zur Verfügung stellen und müssen keine Porosität aufweisen. Stofftransport­limitierungen – wie sie in klassischen, porösen Trägerpartikeln für immobilisierte Enzyme beobachtet werden – können mit dem Einsatz nicht-poröser Magnetträger­partikel überwunden werden, was höhere Raum-Zeit-Ausbeuten ermöglicht.

Magnetische Mikrosorbentien zur Aufarbeitung biotechnologischer Produkte

Mit biotechnologischen Herstellungsverfahren gewonnene Produktströme enthalten neben dem gewünschten Produkt einen hohen Anteil an festen Bestandteilen, Nährsalzen, Puffersubstanzen sowie eine Vielzahl von Nebenprodukten. Das Produkt kann mit sogenannten magnetischen Mikrosorbentien von weiteren, nicht magnetisierbaren Feststoffen (wie z.B. Zelltrümmer) und den gelösten Bestandteilen abgetrennt werden. Dazu verwendet man Magnetfilter nach dem Prinzip der Hochgradienten-Magnetseparation (HGMS). Die beim Einsatz der Magnetfiltration eingesetzte magnetische Kraft wirkt nur auf magnetisierbare Partikel und ist daher hoch spezifisch. Zudem ist die Magnetkraft sehr stark, so dass auch kleinste magnetisierbare Partikel bei hohen Durchsatzraten sicher abgetrennt werden können.

Die Abtrennung eines Wertstoffs mittels Magnetfiltration verläuft wie folgt: Die magnetischen Mikrosorbentien werden zu der Fermentationsbrühe oder dem Zellhomogenisat gegeben. Das gewünschte Produkt bindet über eine Affinitätssorption an deren Oberfläche. Die Suspension wird dann durch einen Magnetseparator geleitet. Dieser besitzt als Filtermatrix eine dreidimensionale, sehr poröse Gitterstruktur aus einem magnetisierbaren Edelstahl. Diese Filtermatrix wird zwischen den Polschuhen eines Magneten angeordnet. Durch die magnetische Kraft bleiben die magnetischen Mikrosorbentien beim Durchströmen der Suspension auf der Filtermatrix haften. Alle anderen Suspensionsbestandteile fließen mit dem Lösungsmittel ungehindert ab. Dann wird das Magnetfeld „ausgeschaltet“, und die magnetischen Mikrosorbentien werden aus der Filtermatrix ausgewaschen. Das Produkt wird desorbiert und von den magnetischen Mikrosorbentien wieder mit dem Magnetfilter getrennt.

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Professor FB Umweltplanung/-technik - FR Verfahrenstechnik

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