Projekt 13052/01

Förderschwerpunkt Biotechnologie: Entwicklung eines innovativen biotechnologischen Verfahrens zur umweltfreundlichen Herstellung biokompatibler Polymerwerkstoffe für die Medizintechnik

Projektträger

Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung GmbH - UFZSektion SanierungsforschungUmweltbiotechnologisches Zentrum
Permoserstr. 15
04318 Leipzig
Telefon: 0341/235-2220

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 Maßstabsübertragung 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 durchgeführt werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenEine bereits patentierte Polymerbiosynthese auf der Grundlage einer methanverwertenden Mischkultur wird im Maßstab vergrößert und verfahrenstechnisch optimiert. Ein System zur Gasrückführung des Kohlenstoffsubstrats Methan soll zur weiteren Verbesserung der Effizienz etabliert werden. Der Schwerpunkt des Vorhabens liegt auf der Optimierung und Maßstabsvergrößerung eines zum Patent angemel-deten chemisch-enzymatischen Aufschlussverfahrens, das ein bisher genutztes Extraktionsverfahren ablösen soll. Bei der Optimierung der Aufarbeitungsschritte wird besonderes Augenmerk darauf gelegt, das Verfahren flexibel für eine weitere Maßstabsvergrößerung und mit geringen Adaptationen anwendbar für 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 für medizintechnische Zwecke gewährleistet ist. Daher wird sowohl in der Biosynthese als auch während der Aufarbeitung besonderer Wert auf qualitätssichernde Maßnahmen gelegt. Für ein ausgewähltes medizintechnisches Modellprodukt werden die für eine Zulassung notwendigen Untersuchungen so weit als möglich durchgeführt. Von Biosynthese und Aufarbeitung werden verfahrenstechnische Parameter gesammelt und ausgewertet, die zur Erarbeitung eines Anlagenvorschlags für den technischen Maßstab genutzt werden.


Ergebnisse und Diskussion

Die Biosynthese von PHB mittels methanotropher Bakterien wurde aus dem Labor- in den 400l-Maßstab übertragen. Dabei konnten gezeigt werden, dass der Prozess reproduzierbar ist, alle prozesstechni-schen Kennziffern wurden bestätigt. Die Mischkultur erwies sich als stabil. Neben Methylocystis sp.GB25 DSM 7674 wurden sämtliche Stämme 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 Rückführung des Fermentorabgases brachten zwar keinen negativen Einfluss auf den Wachstums- und Produktbildungsprozess, eine Einsparung von Frischgas konnte aber unter den ge-genwärtigen 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 Entwässerungsschritten in rein wässrigem Me-dium begleitet werden. Dazu wurde eine Cross-Flow-Mikrofiltration eingesetzt, wodurch eine weitgehend automatische Prozessführung in der Aufarbeitung erreicht wurde. Im reduktiven Schritt gelingt es bereits 50% der Nicht-PHA-Zellbestandteile zu entfernen, was den Aufwand an Enzymen für den nachfolgenden Aufschluss senkt. Die optimalen Konzentrationen für die benötigten Enzyme wurden ermittelt. Die Menge organischer Lösungsmittel für eine Feinreinigung (nur für medizinische Anwendungen) konnte um 60-70% reduziert werden. Von der Universität 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 für die Bereitstellung von PHAs für die Her-stellung von Medizinprodukten prinzipiell geeignet ist. Um die notwendige Reinheit (Reststickstoffgehalt) zu erreichen, ist ein abschließender Reinheitsschritt, z. B. mit Chloroform unumgänglich. Die Untersuchungen zur in vitro-Bioverträglichkeit weisen auf einen möglichen Zusammenhang zwischen Reststickstoffgehalt und Zellverträglichkeit 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 einfließen. Es wurden Produkt- und Ener-gieströme ermittelt sowie die Anlagenausrüstung konzipiert. Für eine 500t/a-Anlage wurde ein Preis von 11,48 €/kg PHB kalkuliert. Bei großtonnagigen Produktionen deutlich über 5000 t/a wird der Anteil der Fixkosten an den Herstellungskosten speziell im Bereich der Fermentation, wo große Apparate möglich sind, drastisch zurückgehen, so dass Preise unterhalb 5 - 6 € erzielbar erscheinen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

· Wendlandt, K.-D.: Kompatible Implantatmaterialien aus Biopolymeren - das Beispiel PHB. Woche der Umwelt 2002 beim Bundespräsidenten, 03.06.2002, Berlin
· Helm, 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.
· Helm, 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, Münster.
· Wendlandt, K.-D.; Jechorek, M.; Helm, J.; Thunecke, F. Müller, R.A.; Stottmeister, U.: Methanhaltige Gase - eine attraktive Kohlenstoffquelle für die Herstellung von Poly-ß-hydroxybuttersäure (PHB). NAROSSA, 9. Internat. Kongress für nachwachsende Rohstoffe und Pflanzenbiotechnologie, 16.-17.06.2003, Magdeburg.
· Thunecke, F.; Wendlandt, K.-D.; Müller, R.A.; Mirschel, G.; Kunze, C.; Listewnik, H.-F.: Umweltgerechte biotechnologische Herstellung von biokompatiblen Polymerwerkstoffen für die Medizintechnik. Transkript, Sonderband Biokatalyse, 9 (2003) 33-36.
· Thunecke, F.; Schumann, D.; Wendlandt, K.-D.; Müller, 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.
· Geyer, 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.


Fazit

Zwischen den beteiligten Projektpartnern wurde eine enge Zusammenarbeit realisiert. Besonders die Assoziierung der Messo-Chemietechnik GmbH lieferte wertvolle Impulse für das Scale-up der Aufarbeitung. Die erarbeiteten Ergebnisse bis zum 400 l-Maßstab gewährleisten eine reproduzierbare Biosynthese mit einer definierten stabilen Mischkultur und eine umweltfreundliche Aufarbeitung, die den Ansprüchen der Medizintechnik genügt. Damit wurde nachgewiesen, dass Erdgas ein hervorragendes Substrat für die Erzeugung von Poly-ß-Hydroxybuttersäure ist. Das erbrachte Pre-Engineering liefert wesentliche Ansatzpunkte zur Preisgestaltung von großtonnagigen Anlagen und belegt, dass eine PHB-Produktion für medizinische Zwecke in eine Großanlage impliziert werden und sich nur durch den Auf-wand für die Reinigung der erzeugten PHB unterscheiden sollte.

Übersicht

Fördersumme

639.758,06 €

Förderzeitraum

01.01.2002 - 30.04.2004

Bundesland

Sachsen

Schlagwörter

Klimaschutz
Ressourcenschonung
Umweltforschung
Umwelttechnik