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Entwicklung der Mikroreaktionstechnik für biokatalytische Prozesse und Einsatz für die Konversion von Lactose

Verbessertes und beschleunigtes Prozessdesign für enzymkatalysierter Verfahren durch Mikroreaktortechnologie am Beispiel der Hydrolyse von Lactose in Molke. Entwicklung eines Mikroreaktorprototyps für die Optimierung enzymatischer Reaktionen. Beschleunigung der Gewinnung prozesstechnisch relevanter Daten zur Reduktion der Entwicklungszeiten und Unterstützung der betriebswirtschaftlichen Entscheidungsfindung. Scale-up durch Parallelisierung.

Kurzbeschreibung

Die Vision für dieses Projektes ist es, Bioprozesse durch den Einsatz von Mikroreaktortechnik an fundamentalen Problempunkten entlang der gesamten Entwicklungskette nachhaltig zu verbessern. Die Implementierung von biotechnologischen Verfahren im industriellen Maßstab scheitert, wenn zwei wesentliche Stufen der Prozessentwicklung nicht rasch genug und unter maximaler Sicherung von Produktivität und Qualität durchlaufen werden:

  1. Die Selektion eines geeigneten Biokatalysators für die geforderte Umsetzung, und
  2. der Transfer von Laborergebnissen in den produktionsrelevanten Maßstab.

Das Fehlen von automatisierbaren Methoden, die für die Optimierung des Biokatalysators und für rationales Scale-up eingesetzt werden können, wird allgemein als der limitierende Faktor angesehen. Das beantragte Vorhaben trägt wesentlich zur Lösung dieser beiden Probleme bei und hat sich zwei konkrete Ziele gesetzt.

Das erste Ziel ist die Entwicklung eines neuen Mikroreaktortyps der allgemein und flexibel für das Design enzymtechnologischer Verfahren einsetzbar ist. Dieser Enzymreaktor wird die Größe etwa einer Streichholzschachtel aufweisen und basiert auf der Immobilisierung (durch chemische Bindung) von Enzymen in Fluidkanälen von etwa 100 Mikrometer Durchmesser, welche durch hochpräzise Techniken der Mikrofabrikation in die Oberfäche von Materialien wie Glas oder Silikon eingearbeitet werden. Der wesentliche Vorteil dieser Innovation für die gewünschte Automatisierung ist, dass

  1. rasches Screening von verschiedenen Enzymen oder von unterschiedlichen, prozesstechnologisch realistischen (!) Reaktionsbedingungen im Labor in paralleler Betriebsweise durchgeführt werden kann, und
  2. die Maßstabsvergrößerung nach dem einfachen und risikoarmen Prinzip der Wiederholung kleinerer Einheiten erfolgt und nicht, wie im Falle konventioneller Verfahrenstechnik, experimentell und durch Simulation erforscht werden muss.

Der potenzielle Nutzen von Mikroreaktortechnik im Hinblick auf eine Ressourcen einsparende Prozessführung ist bewiesen und kann auf intensivierte Ausnutzung von Stoffen und Energie zurückgeführt werden. Speziell für enzymatische Reaktionen ist die Tatsache von erhöhten Wärme- und Stofftransportraten sowie von verbesserten Mischeigenschaften wichtig, um eine möglichst optimale Ausnutzung des Biokatalysators zu garantieren. Anwendunsfelder der neuen Mustertechnologie sind sowohl im Umfeld der universitären und industriellen Forschung als auch in der bioprozesstechnischen Realisierung zu sehen. Das Potenzial dieser Innovation für die Kommerzialisierung ist also deutlich. Die Untersuchung von grundsätzlichen Fragestellungen in der Entwicklung des Mikroreaktors (z.B. Materialwahl; Art der Immobilisierung; Automatisierung) erfordert ein möglichst gut charakterisiertes biologisches System, das idealerweise auch industriell relevant ist. Wir werden Lactasen (Enzyme, die den Milchzucker Lactose in seine beiden Zuckereinheiten Glucose und Galactose spalten) einsetzen.

Das zweite Ziel des beantragten Vorhabens ist die Anwendung der neuentwickelten Technologie für die enzymatische Hydrolyse von Lactose in Molke im Hinblick auf eine industrielle Realisierung dieses Prozesses. Molke ist ein potenziell wertvoller Reststoff aus der Käsereitechnologie, der nur zu einem sehr geringen Prozentsatz genutzt wird und über das industrielle Abwasser die Umwelt stark belasten kann. Lactose ist der Hauptkohlenhydratbestandteil von Molke. Die enzymatische Konversion von Lactose steigert die Einsatzmöglichkeiten und die Bioverfügbarkeit von Molke für den Lebens- und Futtermittelsektor, verbessert die Verarbeitungseigenschaften des Produktes und führt zu Wertsteigerung. Der Projektplan beinhaltet eine Verbesserung der Produktivität des enzymatischen Prozesses durch den Einsatz von Mikroreaktortechnik, den Transfer der Laborergebnisse in den Pilotmaßstab durch Numbering-up (Vervielfachung der Reaktoreinheiten), und die Etablierung eines enzymatischen Musterprozesses auf Basis der Mikroverfahrenstechnik.

Projektbeteiligte

Projektleitung

o.Univ.-Prof. Dr. Bernd Nidetzky
Institut für Bioprozesstechnik und Biotechnologie der TU Graz

Projekt- bzw. Kooperationspartner

Kontaktadresse

Angewandte Biokatalyse Kompetenzzentrum GmbH
Institut für Bioprozesstechnik und Biotechnologie der TU Graz
o.Univ.-Prof. Dr. Bernd Nidetzky
Petersgasse 12, A-8010 Graz
Tel.: +43 (316) 873 8400
E-Mail: bernd.nidetzky@a-b.at

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