Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
3-Chlorphenol tritt als Vertreter der Stoffklasse halogenierte Phenole in Abw\u00e4ssern der chemischen Industrie und insbesondere der Kunststoffindustrie auf. Ectoin und Hydroxyectoin sind Naturstoffe mit stabilisierenden und sch\u00fctzenden Eigenschaften, die im Bereich der biotechnischen, pharmazeutischen und kosmetischen Industrie ein breites Anwendungspotential besitzen. Innerhalb des Forschungsprojekts sollen Mikroorganismen und ein Verfahren entwickelt werden, um in Wasser gel\u00f6stes 3-Chlorphenol biotechnisch in Ectoine umzuwandeln. Diese sogenannte Biokonversion (biologisches Recycling) demonstriert produktionsintegrierten Umweltschutz am Fallbeispiel der Nutzung eines Toxinsubstrats zur Produktion eines hochwertigen Nutzstoffs.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDas Projekt untergliedert sich in drei Phasen: Zun\u00e4chst sollen geeignete Bakterienst\u00e4mme vorausgew\u00e4hlt und charakterisiert werden. Des Weiteren erfolgt die Anpassung der online-Analytik an den Fermentationsprozess. Der zweite Schritt beinhaltet die evolutive Optimierung der Mikroorganismen nach dem ArtEv-Verfahren hinsichtlich Schadstoffabbau und Nutzstoffaufbau. Zeitgleich wird eine modulare und mobile Pilotanlage f\u00fcr den sp\u00e4teren Einsatz bei einem industriellen Abwasserproduzenten konzipiert. Im letzten Projektschritt soll die halbtechnische Anlage zur Biokonversion von Ectoin aus authentischem, 3-Chlorphenolhaltigem Abwasser realisiert und bei einem geeigneten Betrieb angewendet werden. Wichtigste Methode zur Erzeugung der optimalen Bakterienpopulation f\u00fcr die Biokonversion ist das ArtEv-Verfahren. Hierbei werden Organismen zeitnah und effektiv an den Abbau von Schadstoffen angepasst. Neu ist dabei die Verkn\u00fcpfung eines Abbauvorgangs mit einem Aufbauprozess mit dem Ziel der Wirtschaftlichkeit des Gesamtverfahrens. Angepasst werden muss weiterhin der Verfahrensschritt Separation und die Herstellung des Crude-Produkts, da die nachgeschaltete Aufreinigung (Down-streaming) mit der Gewinnung des Wertstoffs ma\u00dfgeblich hiervon beeinflusst wird. Statt des klassischen Zellaufschlusses soll das Bakterienmelkverfahren eingesetzt werden, das die Wiederverwendung der Bakterien in mehreren Fermentationszyklen erm\u00f6glicht.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Mikrobiologische ArtEv-Optimierung
\nNach entsprechendem Screening potentieller Starterkulturen wurde das moderat halophile Bakterium Halomonas elongata einer Langzeitadaptation an den f\u00fcr diesen Stamm giftigen Stoff 3-Chlorphenol unterzogen. Die Optimierungsversuche mit dem Ziel des Abbaus von 3-Chlorphenol in Gegenwart von Salz (150 g\/l) erfolgte zun\u00e4chst im Sch\u00fcttelkolben und anschlie\u00dfend in mehreren Evolutionsfermentationen (FERM D, E, F). Die Adaptation w\u00e4hrend der Evolutionsfermentation erfolgte nach dem ArtEv-Prinzip. Um die Evolutionsfermentationen durchzuf\u00fchren, wurde ein daf\u00fcr geeignetes technisches System entwickelt und bereitgestellt sowie eine online-Fermentationsregelung zur Toxin- und Mediendosiersteuerung mittels Sauerstoffsignal konzipiert. Dieses System erlaubt eine gesteuerte kontinuierliche Fermentation, welche sich ausschlie\u00dflich an der Vitalit\u00e4t der etablierten Mikroorganismenkultur orientiert. Eine derartige Regelungsstrategie ist im Hinblick auf die Optimierung wesentlich effizienter, als eine Steuerung, die sich lediglich an der absoluten Konzentration eines Schadstoffs orientiert. Die Toleranz von Mikroorganismen kann sich w\u00e4hrend einer kontinuierlichen Fermentation gegen\u00fcber dem vorgelegten Schadstoff erh\u00f6hen. Daher ist nicht die absolute Schadstoffkonzentration, sondern die Vitalit\u00e4t des Mikroorganismus in Gegenwart des Schadstoffs ein geeigneter Parameter, den Selektionsdruck konstant aufrecht zu erhalten bzw. zu erh\u00f6hen, ohne die Kultur zu vergiften. Die Kulturbedingungen orientieren sich immer an der oberen Leistungsgrenze der Mikroorganismen. Durch die Langzeitkultivierung der Mikroorganismen im Sch\u00fcttelkolben in Gegenwart von Glucose wurde zun\u00e4chst ein Co-Kohlenstoffmetabolismus f\u00fcr 3-Chlorphenol und Glucose induziert. Infolge der ArtEv-Behandlung von Halomonas elongata w\u00e4hrend der Evolutionsfermentation kam es im Selektionsreaktor zur Reduzierung der Konzentrationen an 3-Chlorphenol durch biologischen Abbau. Dieser Abbau fand auch in Abwesenheit von Glucose und mit 3-Chlorphenol als einzig verf\u00fcgbarer Kohlenstoffquelle statt. Es handelte sich somit um eine neu erworbene mikrobielle Stoffwechselaktivit\u00e4t des optimierten Halomonas-Stamms. Der dabei generierte Stamm, im Folgenden als Halomonas elongata FERM F wurde weiter optimiert. Schlie\u00dflich konnte der Stamm soweit optimiert werden, dass Hydroxyectoin in Gegenwart von 3-Chlorphenol als einziger Kohlenstoffquelle und Kochsalz gebildet wurde. Das Ziel der ArtEv-Optimierung, n\u00e4mlich die Biokonversion von 3-Chlorphenol zu (Hydroxy)ectoin, konnte somit prinzipiell erreicht werden. Trotz weiterer Optimierungs-fermentationen und Verbesserung der Fermentationsbedingungen gelang es jedoch nicht, in der Kultivierung von Halomonas elongata FERM F ausreichend hohe Zelldichten zu erreichen, die eine im Vergleich zum etablierten Produktionsstamm ausreichende Produktivit\u00e4t des Verfahrens m\u00f6glich macht. Dies wird auf eine zu langsame Wachstumskinetik des im Hinblick auf den 3-Chlorphenol-Abbau optimierten Stamm zur\u00fcckgef\u00fchrt. Der urspr\u00fcnglich vorgesehene Zeitrahmen f\u00fcr das Screening von Starterkulturen und die grundlegende Stammoptimierung konnte eingehalten und die Projektziele erfolgreich erreicht werden. Eine mikrobielle Biokonversion von 3-Chlorphenol zu Hydroxyectoin wurde durchgef\u00fchrt. Die Generierung eines leistungsf\u00e4higen Produktionsstamms zur Biokonversion wurde nicht erreicht. Ein Abbau von 3-Chlorphenol in stark salzkontaminierten Prozesswasserstr\u00f6men ist mit dem optimierten Stamm m\u00f6glich.
\nMobile Biokonversionsanlage
\nDie Planung und der Bau der mobilen Biokonversionsanlage konnte im hierf\u00fcr vorgesehen zeitlichen Rahmen erfolgreich vorgenommen werden. Die Fertigstellung der Anlage verz\u00f6gerte sich lediglich herstellerbedingt um ca. 2 Monate. Die Inbetriebnahme der Anlage verlief plangem\u00e4\u00df. Aufgrund des sehr langsamen Wachstumsverhaltens des optimierten Stamms H. elongata gelang es aus str\u00f6mungsdynamischen Gr\u00fcnden nur sehr schwer eine ausreichend hohe Biomassekonzentration in der Anlage aufzubauen. Da der Abbau des 3-Chlorphenol sehr langsam verlief, musste die Anlage aus sicherheitstechnischen Gr\u00fcnden mit einer zus\u00e4tzlichen Abluftvorrichtung ausgestattet werden. Dennoch bewies sich in der Praxis das Konzept einer mobilen Pilotanlage zum Schadstoffabbau und zur Produktion von Naturstoffen. Ein im Labor entwickeltes Verfahren kann hiermit sehr schnell vor Ort auf seine Eignung hin ge-testet werden. Die dann erzielten experimentellen Erfahrungen k\u00f6nnen f\u00fcr die Weiterentwicklung genutzt werden. \u00dcbertragungsversuche in den Pilotma\u00dfstab sind gut m\u00f6glich. Ein problemlose Vorf\u00fchrung bei potenziellen Anwendern ist schnell m\u00f6glich. Die Anlage wird derzeit bei einem Unternehmen im Bereich Umweltbiotechnologie getestet. Das generelle Konzept der mobilen Anlage traf in Akquisitionsgespr\u00e4chen mit potenziellen Anwendern stets auf positive Resonanz.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Derzeit fokussiert bitop seine Aktivit\u00e4ten auf den Bereich der biotechnischen Produktion und Anwendung kompatibler Solute sowie auf die Fermentation Extremophiler Mikroorganismen. F\u00fcr den Bereich Umweltbiotechnologie (ArtEv) soll ein separates Unternehmen gegr\u00fcndet werden. Dieses Unternehmen soll dann die Patentlizenzen im Bereich ArtEv und das hier entwickelte Know how von bitop \u00fcbernehmen und kommerziell nutzen. Die Einbindung eines strategischen Partners aus dem Bereich Umweltschutz in das neue Unternehmen erscheint notwendig, daher wurden die im Projekt erzielten Ergebnisse bereits verschiedenen potentiellen Interessenten pr\u00e4sentiert. Ein Artikel in den VDI-Nachrichten besch\u00e4ftigte sich bereits mit dem wissenschaftlichen Ansatz der Biokonversion.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Die geplanten Arbeiten konnten im hierf\u00fcr vorgesehenen Zeitrahmen ohne gro\u00dfe Abweichungen erfolgreich durchgef\u00fchrt werden. Die ArtEv-Optimierung eines zur Biokonversion von 3-Chlorphenol zu Hydroxyectoin geeigneten Mikroorganismenstamms konnte erreicht werden. Vorteilhaft ist, dass ein bekannter Produktionsstamm der Risikogruppe 1 optimiert werden konnte. Die Akzeptanz eines derartigen Mikroorganismenstamms f\u00fcr Biokonversionsprozesse d\u00fcrfte ausreichend sein. Die Gewinnung des Produkts Hydroxyectoin mit Hilfe des Bakterienmelkverfahrens ist m\u00f6glich. Die Generierung eines leistungsf\u00e4higen Produktionsstamms zur Biokonversion wurde nicht erreicht. Ein Abbau von 3-Chlorphenol in stark salzkontaminierten Prozesswasserstr\u00f6men ist mit dem optimierten Stamm m\u00f6glich. Der ausgew\u00e4hlte Schadstoff 3-Chlorphenol hat sich als gut geeignete Referenzsubstanz erwiesen, um die prinzipielle Machbarkeit des Vorhaben aufzuzeigen. Eine Anpassung des optimierten Mikroorganismenstamms an weitere chlorierte Phenole ist m\u00f6glich und ein Erfolg aufgrund der strukturellen Verwandtschaft der chlorierten Phenole wahrscheinlich. Die Planung, der Bau und die Inbetriebnahme der mobilen Biokonversionsanlage konnte im hierf\u00fcr vorgesehen zeitlichen Rahmen erfolgreich vorgenommen werden. Das Konzept einer mobilen Biokonversionsanlage wird von potenziellen Anwendern sehr positiv aufgenommen. Es erm\u00f6glicht ein hohes Ma\u00df an Flexibilit\u00e4t vor Ort, schnelles Handeln und setzt die Hemmschwelle, welche h\u00e4ufig beim Einsatz neuer Technologien zu beobachten ist, deutlich herunter. Der exemplarische Charakter des Forschungsprojekts muss noch st\u00e4rker als urspr\u00fcnglich gedacht hervorgehoben werden. Die Machbarkeit der evolutiven Entwicklung eines Mikroorganismus zur Biokonversion einer definierten Schadstoff-Chemikalie zu einem verwertbaren Nutzstoff (Hydroxyectoin) wurde bewiesen – das proof of principle erfolgreich dokumentiert. Die Ergebnisse sollten nun zu weiteren Applikation der Biokonversion von Abfall- und Schadstoffen anregen. Im Sinne eines produktionsintegrierten Umweltschutzes d\u00fcrfte der hier gew\u00e4hlte biotechnische Ansatz dann gr\u00f6\u00dfere Bedeutung gewinnen. Das Potenzial zur evolutiven Anpassung von Mikroorganismen sollte zuk\u00fcnftig noch st\u00e4rker genutzt werden. Die Vorteile die in vivo Optimierung gegen\u00fcber in vitro Verfahren liegen auf der Hand.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
Zielsetzung und Anlass des Vorhabens 3-Chlorphenol tritt als Vertreter der Stoffklasse halogenierte Phenole in Abw\u00e4ssern der chemischen Industrie und insbesondere der Kunststoffindustrie auf. Ectoin und Hydroxyectoin sind Naturstoffe mit stabilisierenden und sch\u00fctzenden Eigenschaften, die im Bereich der biotechnischen, pharmazeutischen und kosmetischen Industrie ein breites Anwendungspotential besitzen. Innerhalb des Forschungsprojekts sollen Mikroorganismen und ein Verfahren entwickelt […]<\/p>\n","protected":false},"author":1,"featured_media":0,"template":"","meta":{"footnotes":""},"categories":[],"tags":[65,53],"class_list":["post-17998","projektdatenbank","type-projektdatenbank","status-publish","hentry","tag-nordrhein-westfalen","tag-umwelttechnik"],"meta_box":{"dbu_projektdatenbank_az_ges":"11634\/01","dbu_projektdatenbank_medien":"","dbu_projektdatenbank_pdfdatei":"A-11634.pdf","dbu_projektdatenbank_bsumme":"291.947,66","dbu_projektdatenbank_firma":"bitop Aktiengesellschaftf\u00fcr biotechnische Optimierung","dbu_projektdatenbank_strasse":"Stockumer Str. 28","dbu_projektdatenbank_plz_str":"58453","dbu_projektdatenbank_ort_str":"Witten","dbu_projektdatenbank_p_von":"1997-11-01 00:00:00","dbu_projektdatenbank_p_bis":"2000-10-16 00:00:00","dbu_projektdatenbank_laufzeit":"2 Jahre und 12 Monate","dbu_projektdatenbank_telefon":"02302\/91440-0 \/ -42","dbu_projektdatenbank_inet":"www.bitop.de","dbu_projektdatenbank_bundesland":"Nordrhein-Westfalen","dbu_projektdatenbank_foerderber":"9","dbu_projektdatenbank_ab_bericht":"","dbu_projektdatenbank_ist_nachbewilligung_von":"","dbu_projektdatenbank_hat_nachbewilligung":"","dbu_headerimage_cover":"","dbu_submenu":"","dbu_submenu_position":"","dbu_submenu_entry":[]},"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/projektdatenbank\/17998","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/projektdatenbank"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/types\/projektdatenbank"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/users\/1"}],"version-history":[{"count":1,"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/projektdatenbank\/17998\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":31001,"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/projektdatenbank\/17998\/revisions\/31001"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=17998"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=17998"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=17998"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}