Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Im Mittelpunkt des Verbundvorhabens stehen die Erarbeitung und Entwicklung von Verfahrensgrundlagen zur umweltgerechten biotechnologischen Herstellung von hochmolekularem Polyhydroxybutyrat (PHB), der nachfolgenden Veredelung zu medizinischen Spezialprodukten sowie deren Testung. Neben der Ma\u00dfstabs\u00fcbertragung und der verfahrenstechnischen Optimierung der Polymerbiosynthese liegt ein besonderer Schwerpunkt auf der Entwicklung eines effizienten und umweltfreundlichen Aufarbeitungsverfahrens. Weiterhin sollen ein Pre-Engineering und erste Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen durchgef\u00fchrt werden.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenEine bereits patentierte Polymerbiosynthese auf der Grundlage einer methanverwertenden Mischkultur wird im Ma\u00dfstab vergr\u00f6\u00dfert und verfahrenstechnisch optimiert. Ein System zur Gasr\u00fcckf\u00fchrung des Kohlenstoffsubstrats Methan soll zur weiteren Verbesserung der Effizienz etabliert werden. Der Schwerpunkt des Vorhabens liegt auf der Optimierung und Ma\u00dfstabsvergr\u00f6\u00dferung eines zum Patent angemel-deten chemisch-enzymatischen Aufschlussverfahrens, das ein bisher genutztes Extraktionsverfahren abl\u00f6sen soll. Bei der Optimierung der Aufarbeitungsschritte wird besonderes Augenmerk darauf gelegt, das Verfahren flexibel f\u00fcr eine weitere Ma\u00dfstabsvergr\u00f6\u00dferung und mit geringen Adaptationen anwendbar f\u00fcr andere PHA und weitere PHA-Produzenten zu halten. Die gewonnene PHB soll in Absprache mit den Praxispartnern so fein gereinigt werden, dass ein prinzipieller Einsatz f\u00fcr medizintechnische Zwecke gew\u00e4hrleistet ist. Daher wird sowohl in der Biosynthese als auch w\u00e4hrend der Aufarbeitung besonderer Wert auf qualit\u00e4tssichernde Ma\u00dfnahmen gelegt. F\u00fcr ein ausgew\u00e4hltes medizintechnisches Modellprodukt werden die f\u00fcr eine Zulassung notwendigen Untersuchungen so weit als m\u00f6glich durchgef\u00fchrt. Von Biosynthese und Aufarbeitung werden verfahrenstechnische Parameter gesammelt und ausgewertet, die zur Erarbeitung eines Anlagenvorschlags f\u00fcr den technischen Ma\u00dfstab genutzt werden.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Die Biosynthese von PHB mittels methanotropher Bakterien wurde aus dem Labor- in den 400l-Ma\u00dfstab \u00fcbertragen. Dabei konnten gezeigt werden, dass der Prozess reproduzierbar ist, alle prozesstechni-schen Kennziffern wurden best\u00e4tigt. Die Mischkultur erwies sich als stabil. Neben Methylocystis sp.GB25 DSM 7674 wurden s\u00e4mtliche St\u00e4mme der Begleitflora mit molekularbiologischen Methoden identifiziert. Die erzeugte PHB zeichnet sich durch ein hohes Molekulargewicht (ca. 2 Mill. g\/mol). Versuche zur Gas-reinigung und R\u00fcckf\u00fchrung des Fermentorabgases brachten zwar keinen negativen Einfluss auf den Wachstums- und Produktbildungsprozess, eine Einsparung von Frischgas konnte aber unter den ge-genw\u00e4rtigen technologischen Bedingungen nicht erreicht werden. Das vom UFZ entwickelte Verfahren zur Isolation der PHB besteht im Wesentlichen aus einer chemischen (reduktiven) Vorbehandlung und enzymatischen Aufschlussschritten die von Wasch- und Entw\u00e4sserungsschritten in rein w\u00e4ssrigem Me-dium begleitet werden. Dazu wurde eine Cross-Flow-Mikrofiltration eingesetzt, wodurch eine weitgehend automatische Prozessf\u00fchrung in der Aufarbeitung erreicht wurde. Im reduktiven Schritt gelingt es bereits 50% der Nicht-PHA-Zellbestandteile zu entfernen, was den Aufwand an Enzymen f\u00fcr den nachfolgenden Aufschluss senkt. Die optimalen Konzentrationen f\u00fcr die ben\u00f6tigten Enzyme wurden ermittelt. Die Menge organischer L\u00f6sungsmittel f\u00fcr eine Feinreinigung (nur f\u00fcr medizinische Anwendungen) konnte um 60-70% reduziert werden. Von der Universit\u00e4t Rostock wurden Materialcharakterisierungen sowie in vitro- und in vivo-Testungen von PHA-Produktmustern aus der CEA-Aufbereitung und DCE-Aufschluss vorgenommen. Die Ergebnisse zeigten, dass das CEA-Verfahren f\u00fcr die Bereitstellung von PHAs f\u00fcr die Her-stellung von Medizinprodukten prinzipiell geeignet ist. Um die notwendige Reinheit (Reststickstoffgehalt) zu erreichen, ist ein abschlie\u00dfender Reinheitsschritt, z. B. mit Chloroform unumg\u00e4nglich. Die Untersuchungen zur in vitro-Biovertr\u00e4glichkeit weisen auf einen m\u00f6glichen Zusammenhang zwischen Reststickstoffgehalt und Zellvertr\u00e4glichkeit hin. Eine klare Korrelation zwischen dem Reststickstoffgehalt und den Endotoxingehalten konnte ebenfalls ermittelt werden. Die Ergebnisse der Grundlagenforschung konnten unmittelbar in die Arbeiten zum Pre-Engineering und Scale-up einflie\u00dfen. Es wurden Produkt- und Ener-giestr\u00f6me ermittelt sowie die Anlagenausr\u00fcstung konzipiert. F\u00fcr eine 500t\/a-Anlage wurde ein Preis von 11,48 \u0080\/kg PHB kalkuliert. Bei gro\u00dftonnagigen Produktionen deutlich \u00fcber 5000 t\/a wird der Anteil der Fixkosten an den Herstellungskosten speziell im Bereich der Fermentation, wo gro\u00dfe Apparate m\u00f6glich sind, drastisch zur\u00fcckgehen, so dass Preise unterhalb 5 – 6 \u0080 erzielbar erscheinen.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
\u00b7\tWendlandt, K.-D.: Kompatible Implantatmaterialien aus Biopolymeren – das Beispiel PHB. Woche der Umwelt 2002 beim Bundespr\u00e4sidenten, 03.06.2002, Berlin
\n\u00b7\tHelm, J.; Rogge,G.; Kappelmeyer, U.; Wendlandt, K.-D.; Jechorek,M.; Stottmeister,U.: Benefits of Using a Methane Utilizing Mixed Culture for Biosynthesis of PHB Biopolymers: Limits of natural per-formances and prospects for overcoming,.Workshop UFZ, 30.-31.05.2002, Leipzig.
\n\u00b7\tHelm, J.; Wendlandt, K.-D.; Jechorek, M.; Rogge, G.; Kappelmeyer, U.; Stottmeister U.: Natural gas – an attractive carbon source for the production of PHB. Internat. Symp. on Biological Polyesters 22.-26.09.2002, M\u00fcnster.
\n\u00b7\tWendlandt, K.-D.; Jechorek, M.; Helm, J.; Thunecke, F. M\u00fcller, R.A.; Stottmeister, U.: Methanhaltige Gase – eine attraktive Kohlenstoffquelle f\u00fcr die Herstellung von Poly-\u00df-hydroxybutters\u00e4ure (PHB). NAROSSA, 9. Internat. Kongress f\u00fcr nachwachsende Rohstoffe und Pflanzenbiotechnologie, 16.-17.06.2003, Magdeburg.
\n\u00b7\tThunecke, F.; Wendlandt, K.-D.; M\u00fcller, R.A.; Mirschel, G.; Kunze, C.; Listewnik, H.-F.: Umweltgerechte biotechnologische Herstellung von biokompatiblen Polymerwerkstoffen f\u00fcr die Medizintechnik. Transkript, Sonderband Biokatalyse, 9 (2003) 33-36.
\n\u00b7\tThunecke, F.; Schumann, D.; Wendlandt, K.-D.; M\u00fcller, R.A.: New water-based downstream processing for the isolation of polyhydroxyalkanoates (PHA) from biomass. XII. Int. Materials Research Congress 2003, 17.-21.08.2003, Cancum, Mexiko.
\n\u00b7\tGeyer, W.; Wendlandt, K.-D.; Mirschel, G.; Hemidi, F.A.H.: Characterization of a PHB accumulation process using various spectroscopic methods and multivariate calibration. Eingereicht in: Int. J. Envi-ronm. Anal. Chem.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Zwischen den beteiligten Projektpartnern wurde eine enge Zusammenarbeit realisiert. Besonders die Assoziierung der Messo-Chemietechnik GmbH lieferte wertvolle Impulse f\u00fcr das Scale-up der Aufarbeitung. Die erarbeiteten Ergebnisse bis zum 400 l-Ma\u00dfstab gew\u00e4hrleisten eine reproduzierbare Biosynthese mit einer definierten stabilen Mischkultur und eine umweltfreundliche Aufarbeitung, die den Anspr\u00fcchen der Medizintechnik gen\u00fcgt. Damit wurde nachgewiesen, dass Erdgas ein hervorragendes Substrat f\u00fcr die Erzeugung von Poly-\u00df-Hydroxybutters\u00e4ure ist. Das erbrachte Pre-Engineering liefert wesentliche Ansatzpunkte zur Preisgestaltung von gro\u00dftonnagigen Anlagen und belegt, dass eine PHB-Produktion f\u00fcr medizinische Zwecke in eine Gro\u00dfanlage impliziert werden und sich nur durch den Auf-wand f\u00fcr die Reinigung der erzeugten PHB unterscheiden sollte.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
Zielsetzung und Anlass des Vorhabens Im Mittelpunkt des Verbundvorhabens stehen die Erarbeitung und Entwicklung von Verfahrensgrundlagen zur umweltgerechten biotechnologischen Herstellung von hochmolekularem Polyhydroxybutyrat (PHB), der nachfolgenden Veredelung zu medizinischen Spezialprodukten sowie deren Testung. Neben der Ma\u00dfstabs\u00fcbertragung und der verfahrenstechnischen Optimierung der Polymerbiosynthese liegt ein besonderer Schwerpunkt auf der Entwicklung eines effizienten und umweltfreundlichen Aufarbeitungsverfahrens. Weiterhin […]<\/p>\n","protected":false},"author":1,"featured_media":0,"template":"","meta":{"footnotes":""},"categories":[],"tags":[47,51,68,52,53],"class_list":["post-21663","projektdatenbank","type-projektdatenbank","status-publish","hentry","tag-klimaschutz","tag-ressourcenschonung","tag-sachsen","tag-umweltforschung","tag-umwelttechnik"],"meta_box":{"dbu_projektdatenbank_az_ges":"13052\/01","dbu_projektdatenbank_medien":"Innovationen f\u00fcr die Umwelt - Biokompatible Kunststoffe f\u00fcr die Medizintechnik","dbu_projektdatenbank_pdfdatei":"A-13052.pdf","dbu_projektdatenbank_bsumme":"639.758,06","dbu_projektdatenbank_firma":"Helmholtz-Zentrum f\u00fcr Umweltforschung GmbH - UFZSektion SanierungsforschungUmweltbiotechnologisches Zentrum","dbu_projektdatenbank_strasse":"Permoserstr. 15","dbu_projektdatenbank_plz_str":"04318","dbu_projektdatenbank_ort_str":"Leipzig","dbu_projektdatenbank_p_von":"2002-01-01 00:00:00","dbu_projektdatenbank_p_bis":"2004-04-30 00:00:00","dbu_projektdatenbank_laufzeit":"2 Jahre und 4 Monate","dbu_projektdatenbank_telefon":"0341\/235-2220","dbu_projektdatenbank_inet":"","dbu_projektdatenbank_bundesland":"Sachsen","dbu_projektdatenbank_foerderber":"36","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\/21663","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":2,"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/projektdatenbank\/21663\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":42852,"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/projektdatenbank\/21663\/revisions\/42852"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=21663"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=21663"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=21663"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}