Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Bei der biotechnologischen Produktion des f\u00fcr den Menschen essentiellen und hochwertsch\u00f6pfenden L-Tryptophans im Betrieb der AMINO GmbH dienen die Aminos\u00e4ure Serin, welche betriebsintern aus Zu-ckerr\u00fcbenmelasse gewonnen wird, und die Chemikalie Indol als Ausgangssubstanzen, die mit dem Enzym (Biokatalysator) Tryptophansynthase zu Tryptophan umgesetzt werden. Bei dem Prozess wird nicht das hochreine Enzym eingesetzt, sondern eine Wildtypmutante von Escherichia coli verwendet, die das Enzym intrazellul\u00e4r anreichert. Zur optimalen Prozessf\u00fchrung ist es notwendig, die Serin-, Indol- und Tryptohankonzentration zu messen, um die gesamte Reaktionskinetik und die variierende Biokatalysatoraktivit\u00e4t st\u00e4ndig zu erfassen und die Reaktandenkonzentration dementsprechend optimal einzustellen. Nur so kann in kurzer Zeit unter optimaler Katalysatornutzung und -schonung die maximale Produktivit\u00e4t erreicht werden, die direkt eine Umweltentlastung und Einsparung von Ressourcen mit sich bringt.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenZiel des Projekts ist die Entwicklung und der Einsatz eines innovativen Messsystems, mit Hilfe dessen es m\u00f6glich ist, aktuelle Prozesszust\u00e4nde schneller zu erfassen und somit die Prozessf\u00fchrung dahingehend zu optimieren, dass eine maximale Raum-Zeit-Ausbeute, ein geringer Indolverbrauch sowie eine hohe Produktkonzentration gew\u00e4hrleistet sind. Dazu wird ein 2-D-Prozessfluorimeter an den Prozess angekoppelt, das online alle Fluorophore (unter Fluorophoren versteht man Substanzen, die beim Be-strahlen mit Licht einer bestimmten Farbe Licht einer anderen Farbe ausstrahlen) innerhalb k\u00fcrzester Zeit erfassen kann. Die gewonnenen Messdaten werden mit unterschiedlichen Verfahren analysiert. Die Datenauswertung und Prozessregelung wird mit in das Projekt einbezogen, um dem komplexen Zusammenspiel von Biotransformation, Prozessmonitoring und Prozessregelung zur Maximierung der Raum-Zeit-Ausbeute im Sinne einer ressourcenschonenden Prozessf\u00fchrung gerecht zu werden. Durch die bereits bestehende Erfassung innerbetrieblicher Stoffstr\u00f6me wird eine bilanzierende Bewertung im Sinne eines betrieblichen Umweltkostenmanagments f\u00fcr dieses modellhaft in die Praxis umgesetzte Forschungsprojekt m\u00f6glich sein: dadurch k\u00f6nnen qualitative und quantitative Umweltentlastungen oder Ressourcenschonungseffekte anhand valider Fakten festgehalten und beispielhaft dargestellt werden.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Damit im Verlauf des Tryptophan-Produktionsprozesses im Werk der AMINO GmbH eine regelm\u00e4\u00dfige Online-HPLC-Analyse von Tryptophan und Indol m\u00f6glich ist, wird durch eine Probenschlaufe am Produktionsreaktor ein kontinuierlicher Volumenstrom entnommen. Zur Messung der 2-D-Fluores-zenzspektren wurde in diesem Bypass eine Durchflussmesszelle installiert, an die durch einen Lichtleiter das Fluoreszenzspektrometer angeschlossen wird. Des Weiteren wurden auch Proben f\u00fcr eine Offline-HPLC-Analytik genommen. Als fluoreszierende Substanzen liegen in der Reaktionsmischung zum einen Indol und Tryptophan vor, zum anderen fluoreszierende Bestandteile der eingesetzten Serinl\u00f6sung. Serin selbst fluoresziert nicht, die Fluoreszenzfarbstoffe sind Inhaltsstoffe der Zuckerr\u00fcbenmelasse, die auch durch die vorhergehende chromatographische Aufreinigung nicht entfernt werden k\u00f6nnen. Durch Konzentrations\u00e4nderungen der Fluorophore im Laufe eines Prozesses ergeben sich Ver\u00e4nderungen der Fluoreszenzintensit\u00e4ten, wobei in zwei Spektralbereichen signifikante \u00c4nderungen auftreten. Mit Hilfe geeigneter mathematischer Modelle kann eine Korrelation der Fluoreszenzspektren mit den Prozessgr\u00f6\u00dfen gefunden werden. Als Referenzmessreihen konnten sowohl die Online-HPLC-Messwerte als auch die Offline-HPLC-Messwerte eingesetzt werden. Da die Offlinemesswerte in gr\u00f6\u00dferer Anzahl vorlagen und neben Indol und Tryptophan auch Serin gemessen wurde, wurden diese Messwerte als Referenzwerte ausgew\u00e4hlt.
\nEin aus der Literatur bekanntes theoretisches Prozessmodell wurde herangezogen und durch Erweiterung des Modells und Anpassung der Modellparameter an die Offlinemesswerte auf den industriellen Prozess abgestimmt. Aus diesem theoretischen Modell k\u00f6nnen Prozesssimulationen erstellt werden, die den Verlauf der Prozessgr\u00f6\u00dfen unter Ber\u00fccksichtigung der Prozessf\u00fchrung darstellen. Aus dem theoretischen Modell wurden die Bedingungen einer optimale Indolkonzentration f\u00fcr eine optimale Produktausbeute kalkuliert, so dass bei einem bekannten Prozesszustand die Indolzugabe f\u00fcr eine optimale Prozessf\u00fchrung berechnet werden kann.
\nAus den durch die Simulation erweiterten Referenzmessreihen und den korrespondierenden Fluoreszenzspektren wurden chemometrische Modelle mit dem Programm Unscrambler der Firma CAMO erstellt. F\u00fcr jede der Referenzmessreihen wurde ein eigenes Partial Least Square Regression Modell erstellt. Zur Modell\u00fcberpr\u00fcfung wurde die Crossvalidierung genutzt, wobei als G\u00fctekriterium des Modells der RMSEC (Root Mean Square Error of Calibration) herangezogen wurde. Mit diesen Modellen k\u00f6nnen die Prozessgr\u00f6\u00dfen aus den Fluoreszenzspektren online vorhergesagt werden.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Vortrag anl\u00e4sslich der Achema 2000, Frankfurt\/M., 22.05. bis 27.05.2000
\nPoster anl\u00e4sslich der Biotechnology 2000, Berlin, 03.09. bis 08.09.2000
\nVortrag anl\u00e4sslich des 10. Heiligenst\u00e4dter Kolloquiums, 09.10. bis 11.10.2000
\nVortrag und Poster anl\u00e4sslich der 19. Dechema-Jahrestagung der Biotechnologen, Leipzig, 13.03. bis 15.03.2001<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Um eine hohe Vorhersageg\u00fcte der Modelle zu erreichen, sollte eine Vielzahl von Spektren mit m\u00f6glichst fehlerfreien Offlinemesswerten und aus m\u00f6glichst unterschiedlichen Prozessen zur Kalibration zur Verf\u00fcgung stehen. Mit jedem Prozess, dessen Fluoreszenzspektren und Referenzmesswerte in die Modellkalkulation mit eingehen, wird die G\u00fcte und Stabilit\u00e4t der Vorhersage verbessert.
\nDie Ergebnisse der Auswertung der Fluoreszenzspektren weisen darauf hin, dass es mit Hilfe chemometrischer Modelle m\u00f6glich sein wird, sowohl Tryptophan als auch Indol und eventuell Serin online zu bestimmen. Dieses kann jedoch erst durch weitere Referenzmessungen und Online-Vorhersagen best\u00e4tigt werden.
\nAus dem theoretischen Prozessmodell konnte eine Optimierungsstrategie entwickelt werden, die bei bekanntem Prozesszustand (Prozessbedingungen und Konzentration der Prozessgr\u00f6\u00dfen) eine optimale Indolzugabe f\u00fcr eine hohe Raum-Zeit-Ausbeute, einen geringen Serinverlust und eine geringe Indolendkonzentration berechnet. F\u00fcr den Einsatz dieser Optimierungsstrategie ist eine zuverl\u00e4ssige Online-Bestimmung der Prozessgr\u00f6\u00dfen (Fluoreszenzmessung) wesentlich.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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