Optimierung und Scale-up der fermentativen Herstellung von Plattformchemikalien und Biotensiden

Die biotechnologische Herstellung von Plattformchemikalien und Biotensiden bietet neben milden Reaktionsbedingungen und hoher Spezifität auch den Vorteil, Substrate auf Basis nachwachsender Rohstoffe einzusetzen. Die Produktvielfalt ist aufgrund der Vielzahl unterschiedlicher Mikroorganismen nahezu unerschöpflich und auch durch chemische Synthese schlecht zugängliche Produkte können gewonnen werden. In unserer Arbeitsgruppe zählen dazu organische Säuren wie Äpfel- und Itakonsäure sowie Furan- und andere Dicarbonsäuren. Desweiteren besitzen wir seit vielen Jahre eine Expertise in der mikrobiellen Biotensidherstellung. Verschiedene Brandpilze der Gattungen Ustilago sp. und Pseudozyma sp. sekretieren natürlichweise die Biotenside Mannosylerythritollipid (MEL) und Cellobioselipid (CL), so dass diese aus dem Nährmedium extrahiert werden können. Charaktierisierungen von verschiedensten MEL- und CL-Varianten zeigten ein breites Anwendungspotential z.B. als Reinigungsmittel, in Kosmetika oder als Emulgatoren.

In unseren Laboren etablieren wir Fermentationsprozesse für Bakterien- und Hefekultivierungen vom Labor- bis in den Technikumsmaßstab. Die dimensionsanalytische Maßstabsübertragung nutzen wir auch, um Fermentationen im Pilotmaßstab auszulegen. Diese ausgelegten hochskalierten Prozesse können in der eigenen Pilotanlage am Fraunhofer CBP oder bei Projektpartnern und Kunden durchgeführt werden. Wann immer möglich nutzen wir nachwachsende Rohstoffe wie Lignocellulose-basierte Zuckerlösungen oder Pflanzenöle als Substrat im Nährmedium.

Leistungsspektrum

  • Auswahl und Optimierung der Biokatalysatoren
  • Entwicklung geeigneter Konversionsprozesse im Labormaßstab
  • Übertragung der Konversionsprouzesse in den Technikums- bis m³-Maßstab.

Innerhalb 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 Kulturführung). Auf der Grundlage einer statistischen Bewertung aller Prozessparameter überführen wir den optimalen Prozess zunächst vom Schüttelkolben in den Fermenter (Scale-over) und dann in den Technikums- und Pilotmaßstab (Scale-up). Auch die Aufreinigung der Produkte wird optimiert.

Forschungsschwerpunkte

Biotenside – Herstellung und Optimierung

Langkettige Dicarbonsäuren aus pflanzlichen Ölen

Äpfelsäure, Itaconsäure, Furandicarbonsäure

Referenzprojekte

KomBiChemPro – Fein- und Plattformchemikalien aus Holz durch kombinierte chemisch-biotechnologische Prozesse

Laufzeit: November 2015 – Mai 2018

Das Verbundvorhaben KomBiChemPro hat das Ziel, verschiedene Entwicklungsarbeiten zur stofflichen Nutzung lignocellulosehaltiger Biomasse in einem integrierten Bioraffineriekonzept zusammenzuführen. Wichtigster Aspekt ist dabei die Herstellung markfähiger Produkte durch robuster Prozesse und effiziente Verfahrensführung. Basis des Vorhabens stellt der Aufschluss von Holz nach dem Organosolv-Verfahren dar, welcher die Gewinnung der drei Hauptkomponenten von Lignocelllulose (Cellulose, Hemicellulose und Lignin) ermöglicht. Die Gruppe Industrielle Biotechnologie entwickelt die Fermentationsprozesse für Äpfel- und Xylonsäure.

mehr Info

BioQED – Quod Erat Demonstrandum: Fermentative Herstellung und Scale-up für die Produktion von 1,4-Butandiol und Itakonsäure mit dem Ziel der Kostenreduktion und verbesserten Nachhaltigkeit

Laufzeit: Januar 2014 – Dezember 2017

Europa bereitet sich auf die Umstellung von einer fossilen zu einer biobasierten Ökonomie vor. In diesem Rahmen verfolgt Bio-QED das Ziel, den Nachweis der Machbarkeit bio-industrieller Produktionsanlagen zu festigen. Damit verbunden ist die Aufstellung aller technischen/ökonomischen Schlüsselparameter, die für Investitionsentscheidungen über die ersten industriellen Produktionsanlagen zur Herstellung der biobasierten Produkte 1,4-Butandiol und Itakonsäure benötigt werden. Die Projektpartner decken die komplette Wertschöpfungskette für beide Chemikalien ab.

mehr Info

BioConSepT – Biokonversion und Separationstechnologien für die Produktion und Anwendung von Chemikalien aus Rohstoffen der zweiten Generation

Laufzeit: Januar 2012 – Dezember 2015

BioConSepT fokussiert sich auf die stoffliche Nutzung von Rohstoffen der sogenannten zweiten Generation wie Lignocellulose oder Öle und Fette, die nicht zur Nahrungsmittelproduktion eingesetzt werden können. Dabei werden sowohl enzymatische, mikrobielle als auch chemische Reaktionen eingesetzt und gegebenenfalls in den Produktionsketten miteinander kombiniert. Die Einführung kontinuierlicher Prozesse, neuer Reaktoren und selektiver Auftrennungstechnologien soll Durchbrüche bei der Kostenreduktion und Nachhaltigkeit dieser Prozesse erzielen.

mehr Info

O4S – Organic for surfactants

Laufzeit: Januar 2012 – Dezember 2014

Das Projekt »Organic for surfactants (O4S)« zielt darauf ab, eine nachhaltige Alternative für chemisch und zumeist aus Erdöl hergestellte Tenside zu entwickeln.

mehr Info

BioSurf – Biotenside aus Mikroorganismen

Laufzeit: 2011 – 2014

Im Projekt BioSurf entwickelt das Fraunhofer IGB mit seinen Projektpartnern Biotenside aus Mikroorganismen sowie enzymatisch hergestellte Tenside auf der Basis nachwachsender Rohstoffe.

mehr Info

Integrierte Bioproduktion

Laufzeit: Januar 2009 – Dezember 2012

Das Verbundprojekt  beschäftigt sich mit der Vision der »Integrierten Verbundproduktion auf Basis nachwachsender Rohstoffe« und der durchgängigen Entwicklung vom Labor- bis zum Produktionsmaßstab.

mehr Info