Biotechnologische Verfahren

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

Unser Alleinstellungsmerkmal: Pilotanlagen 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.

Unsere Kompetenzen

In der Industriellen Biotechnologie am Fraunhofer CBP beschäftigen wir uns mit der stofflichen Nutzung nachwachsender Rohstoffe durch die enzymatische oder fermentative Synthese von biobasierten Chemikalien, wie beispielsweise organischen Lösungsmittel und Säuren. Darüber hinaus befassen wir uns mit der rekombinanten Herstellung von Proteinen und Enzymen für diverse Anwendungsbereiche. Bei der Überführung der Prozesse in einen industrienahen Maßstab bauen wir auf unser umfassendes bioverfahrenstechnischen Know-how zur Skalierung und Prozessintensivierung und langjährige Erfahrung.

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)

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

Wir entwickeln und skalieren Prozesse im Auftrag von Kunden verschiedenster Branchen, z. B. in den Bereichen Fein- und Spezialchemikalien, z. B. Farbstoffe, Grund- und Massenchemikalien, Monomere für Werkstoffe und Kunststoffe sowie Lebensmittel, Nahrungsergänzungsmittel und Tierfutter. Eine spezielle Anwendung ist auch die Skalierung von Fermentationen für die Herstellung alternativer Proteine, beispielsweise zur fermentativen Milchproteinherstellung.

Produktportfolio im Überblick

  • Milchproteine und andere Lebensmittelersatzstoffe, Vitamine
  • Organische Säuren (z. B. Xylonsäure), Lösungsmittel (z. B. Butanol) und andere Bulk-Chemikalien
  • Fein- und Spezialchemikalien (z. B. Farbstoffe)
  • Technische und andere Enzyme
  • Proteinhaltige Biomasse

Zusammenarbeit

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. Denn entscheidend für die Machbarkeit und Wirtschaftlichkeit der Fermentation sind auch die Aufrechterhaltung optimaler Bedingungen im Bioreaktor und eine effiziente Aufarbeitung der Produkte.

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

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. 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.

Unsere Lösungen: Was wir für Sie tun

Mit bioverfahrenstechnischem Know-how zur Skalierung und langjähriger Erfahrung in der Entwicklung und Optimierung biotechnologischer Verfahren untersuchen wir im Labormaßstab entwickelte Fermentationsverfahren hinsichtlich ihrer Übertragbarkeit in den industrierelevanten Maßstab, um sie bei der Skalierung dann iterativ mit dem Kunden zu optimieren.

Hierzu zählen die Anpassung von Prozessführungsstrategien (Batch, Fed-Batch, kontinuierlich) und eine integrierte Produktaufreinigung zur Reduktion von Prozessschritten. 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- oder Tonnenmaßstab herstellen.

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 auch 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 Biotechnologische Verfahren umfasst zwei modular aufgebaute Technikumshallen der biologischen Sicherheitsstufe 1, wobei eine der Hallen unter ATEX-Bedingungen betrieben werden kann.

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- oder Tonnenmaßstab herstellen.

Kultivierung von Mikroorganismen

worauf bezieht sich dieser Text? Batch- und Fed-Batch Kultivierung (bis 10-m³) Kontinuierliche Kultivierung mit Zellrückhaltung (bis 75 L) Aerobe und anaerobe Prozessführung möglich Ausgelegt für Mikroorganismen der Risikogruppe 1 (S1)

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 vier Edelstahl-Vorlagebehältern für Säure, Base, Antischaum und Feed
  • Automatisierte Methanol-Dosierung
  • pH-Kontrolle durch Zufuhr von gasförmigem Ammoniak im 10-m³-Reaktor

 

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

Tellerseparator zum Abtrennen von Mikroalgen aus dem Kulturmedium.
© Fraunhofer CBP
Tellerseparator zum Abtrennen von Mikroalgen aus dem Kulturmedium.
Zellaufschluss: Um wertvolle Produkte in Mikroalgen verfügbar zu machen, kann ein Hochdruckhomogenisator genutzt werden.
© Fraunhofer CBP
Zellaufschluss: Um wertvolle Produkte in Mikroalgen verfügbar zu machen, kann ein Hochdruckhomogenisator genutzt werden.
Sprühtrockner
© Fraunhofer CBP
Sprühtrockner

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)

Analytik

  • 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
  • Dünnschichtchromatographie
  • Proteinanalytik (z. B. SDS-PAGE, Bradford, Lowry)
  • UV/VIS-Spektralphotometer für Mikrotiterplatten und Küvetten
  • Infrarotspektrometer

Referenzen