Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische Prozesse CBP
Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische Prozesse CBP
© Gunter Binsack / Fraunhofer CBP
In der Pilotanlage am Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische Prozesse CBP stellen Forscher Erdölersatzstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen her.

© Gunter Binsack / Fraunhofer CBP

Biotechnologische Verfahren

Die industrielle Biotechnologie ist eine Schlüsseltechnologie für die Entwicklung einer nachhaltigen chemischen Industrie und insbesondere für die Bioökonomie.

Ihre Herausforderungen

Die Übertragung eines biotechnologischen Prozesses vom Labor- in den industriellen Maßstab erfordert spezifisches Know-how und Anlagentechnik, um das Scale-up erfolgreich zu meistern. Zahlreiche Parameter müssen beachtet werden, um die angestrebte Qualität der Produkte bei gleichzeitig möglichst niedrigen Betriebskosten des Prozesses gewährleisten zu können. Besonders entscheidend für die Wirtschaftlichkeit eines Fermentationsprozesses ist das nachgeschaltete Aufarbeitungsverfahren, um eine effiziente Abtrennung der Produkte zu erzielen.

Unser Alleinstellungsmerkmal: Pilotanlagen und Know-how zur Skalierung biotechnologischer Konversionsprozesse

Während akademische Forschungslaboratorien weit verbreitet sind, findet man Pilotanlagen noch selten. Dabei sind sie dringend notwendig, insbesondere für kleinere Unternehmen, um Innovationen für die Kommerzialisierung neuer Produkte vorzubereiten. Neben der technischen Weiterentwicklung biotechnologischer Verfahren kommen vor allem der Bereitstellung größerer Materialmengen für die Anwendungsforschung sowie Prozessdaten für wirtschaftliche und andere Studien zur Machbarkeit eines Herstellungsverfahrens eine besondere Bedeutung zu. Bei der Überführung der Herstellungsprozesse (Präzisionsfermentationen, Enzymsynthesen) in einen industrienahen Maßstab bauen wir auf unser umfassendes bioverfahrenstechnischen Know-how zur Skalierung und Prozessintensivierung und langjährige Erfahrung auf diesem Gebiet.

Leistungsspektrum

Mit unserem breiten bioverfahrenstechnischen Know-how zur Skalierung und Prozessintensivierung bewerten wir die im Labormaßstab entwickelten maßgeschneiderten Verfahren hinsichtlich ihrer Übertragbarkeit in den industrierelevanten Maßstab im Vorfeld, um sie bei der Übertragung und Skalierung iterativ zu optimieren. Hierzu zählen etwa die Anpassung von Prozessführungsstrategien (Batch, Fed-Batch, kontinuierlich) und eine integrierte Produktaufreinigung zur Reduktion von Prozessschritten oder die Wiederverwendung eingesetzter Ressourcen (z. B. von Biokatalysatoren) durch Immobilisierung an Trägermaterialien.

 

Leistungsangebot im Überblick

  • Fermentative oder enzymkatalytische Herstellung verschiedener Produkte
  • Evalierung, Entwicklung und Optimierung von biotechnologischen Prozessen
  • Scale-up bis zum Pilot- und Demonstrationsmaßstab 
  • Etablierung von Aufarbeitungsstrategien von Fermentationen und Enzymreaktionen
  • Einsatz alternativer Kohlenstoffquellen in der Fermentation (z. B. Lignocellulose-Hydrolysate oder Methanol)
  • Herstellung von Mustermengen (vom Kilogramm- bis zum Tonnenmaßstab)
Fermentation am Fraunhofer CBP
© Norbert Michalke / Fraunhofer IGB
Bioreaktorkaskade zur Skalierung von Fermentationsprozessen

Breites Produktportfolio: Bulk- und Feinchemikalien, Proteine, Monomere für Kunststoffindustrie

In der Industriellen Biotechnologie am Fraunhofer CBP beschäftigen wir uns mit der stofflichen Nutzung nachwachsender Rohstoffe durch die fermentative oder enzymatische Synthese von biobasierten Chemikalien sowie der rekombinanten Herstellung von Proteinen und Enzymen für diverse Anwendungsbereiche. So entwickeln und skalieren Präzisionsfermentationen im Auftrag von Kunden verschiedenster Branchen, beispielsweise in den Bereichen Bulk- und Spezialchemikalien (z. B. Farbstoffe oder Monomere für Werkstoffe und Kunststoffe) sowie Lebensmittel, Nahrungsergänzungsmittel und Tierfutter. Eine spezielle Anwendung ist auch die Skalierung von Fermentationen zur Herstellung alternativer Proteine.

 

 

Produktportfolio im Überblick

  • Milchproteine und andere Lebensmittelersatz- und zusatzstoffe
  • Organische Säuren (z. B. Itaconsäure), Lösungsmittel (z. B. Butanol)
  • Bulk- und Spezialchemikalien (z. B. Farbstoffe)
  • Technische und andere Enzyme
  • Proteinhaltige Biomasse

Zusammenarbeit

Die Arbeitsgruppe Bioprozess-Skalierung am Fraunhofer CBP in Leuna leistet seit mehr als zehn Jahren einen wesentlichen Beitrag zur Einführung neuer biotechnologischer Verfahren in der Industrie. 

Partner für Start-ups, KMU und Unternehmen zur Optimierung und Skalierung biotechnologischer Prozesse 

Wir unterstützen insbesondere Start-ups sowie kleine und mittelständische Unternehmen aus Deutschland, Europa und dem außereuropäischen Ausland bei der Umsetzung ihrer Projekte durch die Bereitstellung von Equipment und Know-how für die Skalierung und Optimierung von Fermentationsprozessen und den dazugehörigen Downstream-Prozessen.

Wie Sie mit uns zusammenarbeiten

Sie können uns direkt mit der Entwicklung, Optimierung oder Skalierung eines Fermentationsprozesses beauftragen. Gerne zeigen wir Ihnen bei einem ersten Gespräch unsere Anlagen und die apparativen Möglichkeiten. Manche Fragestellungen können auch in öffentlichen Ausschreibungen untersucht werden, z. B. im Rahmen von Programmen zur Bioökonomie. Sprechen Sie uns gerne an! 

Ausstattung

Die Ausstattung im Bereich Bioprozess-Skalierung umfasst zwei modular aufgebaute Technikumshallen der biologischen Sicherheitsstufe 1. Mithilfe unserer automatisierten, steril betriebenen Pilotanlagen zur Skalierung und Optimierung von Fermentationsprozessen bis 10 m3 und den dazugehörigen Downstream-Prozessen können wir Mustermengen im Kilogramm- bis zum Tonnenmaßstab herstellen.

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Kultivierung von Mikroorganismen

Die Kultivierung von Mikroorganismen der Risikogruppe 1 (S1) kann unter aeroben sowie anaeroben Bedingungen erfolgen. Weiterhin können die Fermentationsprozesse in verschiedenen Modi gefahren werden (Batch, Fed-Batch, kontinuierlich).

 

Automatisierte Fermenterkaskade mit umfassender Mess- und Regeltechnik

  • Nennvolumen der einzelnen Bioreaktoren von 10, 100, 300, 1000 und 10 000 L
  • Geometrisch ähnlich und umfassend automatisiert
  • Mess-/Regeltechnik für Drehzahl, Temperatur, Kopfraumdruck, pH-Wert, gelöst-Sauerstoffkonzentration, Methanolkonzentration und Abgasanalyse (CO2/O2)
  • In-situ-Sterilisation (SIP) und -Reinigung (CIP)
  • Ausgestattet mit je vier Edelstahl-Vorlagebehältern für Säure, Base, Antischaum und Feed
  • Automatisierte Methanol-Dosierung

 

ATEX-Fermenter (Nennvolumen 500 L) zur Umwandlung oder Herstellung leichtentzündlicher Chemikalien

 

Ultrahochtemperatur (UHT)-Anlage zur kontinuierlichen Sterilisation von Fermentationsmedien

  • 1 – 2 m³/h
  • 60 – 134 °C
  • 120 – 240 s Haltezeit

Produktaufarbeitung und Konfektionierung

Lagertanks zur Ernte der Fermentationssuspension und Zwischenlagerung von Produktlösungen

  • 2 x 500 L (mobil), 2 x 2000 L, 2 x 5000 L, 2 x 10 000 L (Bruttovolumen)
  • Temperier- und rührbar
  • pH-Kontrolle möglich

 

Separationstechnik zur Biomasseabtrennung

  • Tellerseparatoren
    • 0,5–1 m³/h (12.300 x g)
    • 1–2 m³/h (12.800 x g)
  • Filterpresse
    • 10 Filterplatten mit je 0,4 m² Filterfläche und 5 L Arbeitsvolumen
  • Vakuumtrommelzellenfilter 
    • 0,5 m² Filterfläche
  • Vakuumfiltertrockner
    • 0,5 m² Filterfläche (Cut-off: 1 und 10 µm)
    • 400 L Arbeitsvolumen
    • ATEX-Ausführung 

 

Zellaufschluss

  • Hochdruckhomogenisator
    • 400 L/h bei 1000 bar
    • Optional mit anschließender Durchflusskühlung

 

Feinreinigung

  • Membranfiltration (Cross-flow-Mikro-/Ultrafiltration) zur Entsalzung und Produktkonzentrierung
    • Bis zu 500 kg/h Feeding möglich
    • Flexibler Einsatz von Spiralwickelmodulen (Material, Cut-off)
  • Flüssigchromatographie
    • 7–35 L Säulenvolumen
    • Bis zu 180 L/h Durchfluss
  • Kristallisatoren (batch)
    • 180 L mobil
    • 800 L in ATEX-Ausführung, temperierbar 

 

Produktkonfektionierung

  • Sprühtrockner
    • bis 5 kg/h bei 140–300 °C
  • Gefriertrockner
    • 0,9 m2 (15 L Arbeitsvolumen)
Tellerseparator zur Abtrennung von Mikroorganismen aus dem Kulturmedium
© Fraunhofer CBP
Tellerseparator zur Abtrennung von Mikroorganismen aus dem Kulturmedium
Zellaufschluss: Um wertvolle Produkte in Mikroorganismen verfügbar zu machen, kann ein Hochdruckhomogenisator genutzt werden.
© Fraunhofer CBP
Zellaufschluss: Um wertvolle Produkte in Mikroorganismen verfügbar zu machen, kann ein Hochdruckhomogenisator genutzt werden.
Sprühtrockner
© Fraunhofer CBP
Sprühtrockner

Analytik

HPLC-Anlage
© Fraunhofer CBP
HPLC-Anlage
  • Photometrische Analytik (z. B. optische Dichte, Enzymaktivität)
  • Bestimmung der Biotrockenmasse
  • YSI 2950 (biochemischer Analysator), z. B. zur Zuckerbestimmung
  • HPLC-DAD, HPLC-VWD, HPLC-RID, HPLC-SEC, z. B. zur Bestimmung von Zucker, organischen Säuren, phenolischen Verbindungen
  • Headspace-GC, GC-MS, GC-FID und GC-TCD
  • Anionenaustauschchromatographie
  • Dünnschichtchromatographie
  • Proteinanalytik (z. B. SDS-PAGE, Bradford, Lowry)
  • UV/VIS-Spektralphotometer für Mikrotiterplatten und Küvetten
  • Infrarotspektrometer

Referenzen

Referenzprojekte

Enzymherstellung

 

Enzymprozesse

 

Fermentationsverfahren

Kombinierte Verfahren

 

Forschungsinfrastruktur

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