Stipendienschwerpunkt: Nachhaltige Bioprozesse (2007-2010, abgeschlossen)

Molekül aus Dissertation David Adam © David Adam
Enzyme als Biokatalysatoren sind der Dreh- und Angelpunkt von wirtschaftlich erfolgreichen Biosynthesen.

Einführung

Ob Medikamente, Lebensmittelzusätze, Farbstoffe, Agrochemikalien oder Biokraftstoffe – wir verwenden eine Vielzahl von verschiedensten Stoffen für die Produktion von Materialien für alle Lebensbereiche. Oft können die unterschiedlichen Moleküle sowohl chemisch als auch biologisch hergestellt werden. Der große Vorteil der biologischen Synthese ist dabei ihre höhere Umweltfreundlichkeit: Es werden keine harschen Reaktionsbedingungen wie z.B. hoher Druck und hohe Temperaturen benötigt, was die Biokatalysen sparsamer im Energieverbrauch macht. Des Weiteren werden weniger Lösemittel benötigt und weniger zu entsorgende Abfallstoffe produziert. Im Besonderen für den Bereich der Fein- und Spezialchemie ist außerdem hochinteressant, dass Biokatalysen in der Regel sterio-, regio- und chemoselektiv ablaufen.

Die industrielle Anwendung biologischer Synthesen wird allerdings teilweise noch durch geringe Ausbeuten eingeschränkt. Hier sind Prozessintensivierungen erforderlich, um die Effizienz biotechnologischer Prozesse deutlich zu erhöhen.

Um die Prozessintensivierung anwendungsnah voranzutreiben, deckten die Themen des Stipendienschwerpunktes nachhaltige Bioprozesse alle drei Schritte der Prozesskette vom Biokatalysator selber über die verfahrenstechnische Prozess-Realisierung bis hin zur Produkt-Aufarbeitung ab. Alle Promovenden beschäftigten sich mit umweltrelevanten und umsetzungsorientierten Forschungsfragen im Vorfeld der Implementierung von ökologisch vorteilhaften und ökonomisch rentablen Bioprozessen in der Industrie.

Ergebnisse

Geeignete Biokatalysatoren sind der Ausgangs- sowie Dreh- und Angelpunkt von wirtschaftlich erfolgreichen Biosynthese-Verfahren. Von daher beschäftigte sich ca. die Hälfte der sechzehn Promotionsvorhaben des Schwerpunktes mit Biokatalysatoren zur Produktion von so unterschiedlichen Substanzen wie Aminen z.B. für Medikamente, Antibiotika oder Butanol als Biokraftstoff.

Schwerpunkt war dabei die Identifizierung neuer Enzyme bzw. Mikroorganismen wie z.B. Decarboxylasen zur Produktion von enantiomerenreinen Aminen ohne toxische cyanathaltige Verbindungen, Einkomponenten-Monooxygenasen zur enantioselektiven Epoxidierung von Styrol für z.B. die Pharmaindustrie, Glucanasen zur Elimination von viskosen Störstoffen bei der Herstellung von Fruchtsäften bzw. Lösungsmittel-tolerante Bakterienstämme für die Produktion von n-Butanol als Biokraftstoff.

Dabei wurde zum einen auf Kultivierungsversuche mit Mikroorganismen wie Bakterien und Pilzen zurückgegriffen. Zum anderen wurden auch gezielt rekombinante Plasmide molekularbiologisch hergestellt, welche die Synthese von D-Mannit aus Abfallzuckern ermöglichen. Des Weiteren wurde die gesamte DNA von Umweltproben – ohne Kultivierung der jeweiligen Organismen – direkt per Metagenom-Screening auf u.a. Monooxygenasen, Esterasen und Phosphatasen analysiert. Eine weitere Promotion beschäftigte sich mit der Erhöhung der Ausbeute bei der Produktion von Penicillinacylasen durch die Koexpression von Chaperonen.

 

Wenn die geeigneten Biokatalysatoren bekannt sind, geht es darum diese so einzusetzen, dass maximale Produktausbeuten bei minimalem Ressourcenverbrauch möglich werden. Diese für eine spätere industrielle Anwendung ausschlaggebende Prozess-Realisierung bearbeitete die andere Hälfte der Promotionen des Schwerpunktes.

Hierbei stand die verfahrenstechnische Prozessführung im Vordergrund. Diese wurde hinsichtlich Produktivität und Nachhaltigkeit optimiert für die Produktion von Feinchemikalien mit Cytochrom P450 Enzymen, von enantiomerenreinen Vinyllactonen für die Wirkstoffsynthese mit Alkohol-Dehydrogenasen, von Verbindungen mit asymmetrischen C-C-Bindungen durch Ketosäure-Decarboxylasen sowie von beta-Aminosäuren für die Pharmaindustrie. Ein weiteres Promotionsvorhaben befasste sich mit der Mikroreaktionstechnik und ihren Vorteilen bezüglich gleichmäßiger Milieubedingungen für die produzierenden Zellen.

Die Erhöhung der Nachhaltigkeit wurde auch durch die Verwendung von Glycerin aus der Biodieselproduktion als alternative Kohlenstoffquelle zu Glucose angestrebt. Zwei weitere Promotionen hatten die Erhaltung der Leistungsfähigkeit der für die Biokatalyse verwendeten mikrobiellen Zellen zum Ziel. Zum einen wurde hier untersucht, durch welche Fermentationsbedingungen die genetische Stabilität möglichst gut erhalten bleibt. Und zum anderen wurde ein Testverfahren für den Alterungsnachweis von Brauhefen entwickelt.

 

Nach dem Produktionsprozess ist die schonende und effiziente Produkt-Aufarbeitung, d.h. die Abtrennung des gewünschten Produktes aus dem Reaktionsmilieu, essentiell für die Gewinnung industriell verwendbarer Produkte. Hierzu beschäftigte sich eine Promotion mit einer dreistufigen Aufarbeitung für die effiziente Isolierung von Bernsteinsäure.

Kontakt

Für Rückfragen steht Ihnen bei der DBU gerne Dr. Hedda Schlegel-Starmann zur Verfügung.

Wissenschaftlicher Koordinator des Stipendienschwerpunktes:
Prof. Dr. Andreas Liese
Technische Universität Hamburg-Harburg, Institut für Technische Biokatalyse
https://www2.tuhh.de/itb/