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ePaper created 2017-03-14, 09:55:24 | version 1.49.03
CHEMIE UND PROZESSINDUSTRIE CH3 n n OR1 O HO O O O CH3 O R2O O OH OH O O R OH OH OH CH2 1 2 3 O O OH MIKROBIELLE HERSTELLUNG VON BASIS CHEMIKALIEN UND SCALE-UP VON FERMENTATIONSPROZESSEN Sus anne Zib ek, Björn Vater, Ge org Geig er Industrielle Biotechnologie – Alternative für die Chemie Die mikrobielle Herstellung von Basischemikalien bietet neben milden Reaktionsbedingungen und hoher Speziität auch den Vorteil, dass die Produktvielfalt aufgrund der Vielzahl unter- schiedlicher Mikroorganismen nahezu unerschöplich ist. So können auch durch chemische Synthese schlecht zugängliche Produkte gewonnen werden. Zum anderen ermöglicht die mik- robielle Herstellung, auch Substrate auf Basis nachwachsender Rohstoffe (NaWaRo) einzusetzen. Sie bietet so alternative Lösungen für auf fossilen Rohstoffen basierenden Chemikalien. Entwicklung vom Biokatalysator bis zum aufgereinigten Produkt Die Gruppe Industrielle Biotechnologie des Fraunhofer IGB entwickelt Prozesse zur Gewinnung von Plattformchemikalien unter Verwendung nachwachsender Rohstoffe. Im Mittel- punkt steht die Etablierung, Optimierung und Skalierung von Biokonversionsprozessen, bei welchen biogene Rohstoffe entweder durch Mikroorganismen (Bakterien-, Hefe- oder Pilzkulturen) oder Enzyme in Basischemikalien umgewandelt werden. Unser Leistungsspektrum umfasst die Auswahl und Optimierung der Biokatalysatoren, die Entwicklung geeigneter Konversionsprozesse im Labormaßstab und die Übertragung dieser in den Technikums- bis m³-Maßstab. In- nerhalb der Prozessentwicklung betrachten wir alle relevanten Parameter, etwa Temperatur, pO2, OUR, CER und RQ oder die Zusammensetzung des Mediums und etablieren perfekt abgestimmte Mineralsalzmedien und Fütterungsstrategien (repeated-batch, fed-batch oder kontinuierliche Kulturfüh- rung). Auf der Grundlage einer statistischen Bewertung aller Prozessparameter überführen wir den optimalen Prozess zu- nächst vom Schüttelkolben in den Fermenter (Scale-over) und dann in den Technikums- und Pilotmaßstab (Scale-up). Auch die Aufreinigung der Produkte wird optimiert. Wir erforschen und optimieren eine Vielzahl fermentativer Prozesse zur Her- stellung von Grundchemikalien wie organische Säuren oder Dicarbonsäuren mit großem Anwendungspotenzial, etwa als Bausteine für Polymere oder Weichmacher. Furandicarbonsäure Bei den Entwickungsarbeiten zur Furandicarbonsäure (FDCA) konnten wir durch Zugabe von Hydroxymethylfurfural aus lig- nocellulosehaltiger Biomasse erfolgreich eine Ganzzellkatalyse mit Pseudomonas putida etablieren. Durch gezielte Reaktions- führung haben wir im Labor eine Ausbeute von mehr als 80 Prozent bei einer Konzentration bis zu 20 g / L FDCA erreicht. Das anschließende Scale-up erfolgte anhand von Modellex- perimenten mit skalierbaren Reaktoren oder Fermentern im Labor. Anhand hierbei ausgewählter dimensionsloser Kenn- zahlen konnten wir die Prozesse in der maßstäblich größeren Pilotanlage auslegen. Langkettige Dicarbonsäuren Bei langkettigen Dicarbonsäuren aus Ölen wurde der Prozess so optimiert, dass die anschließende Aufreinigung möglichst ein- fach ist. So konnten wir durch einen Prozess mit exponentieller Zufütterungsrate die Biomassenkonzentration auf cx = 21 gTS / L und die Produktbildungsrate auf bis zu rP = 0,44 g / L / h er- höhen. Für 1,18-Oktadec-9-endisäure konnte eine maximale Produktkonzentration von cP ≅ 100 g / L erreicht werden. 8 8