Energie- und ressourceneffiziente Antibiotikaproduktion

Entwicklung eines mikropartikelbasierten Bioprozesses zur nachhaltigen Produktion pharmazeutischer Wirkstoffe

Antibiotika werden weltweit in großen Mengen hergestellt. Allein die industrielle Produktion von Penicillinen und Cephalosporinen belĂ€uft sich auf 40 000 – 70 000 Tonnen pro Jahr. Produziert werden Antibiotika zu einem erheblichen Teil in Großfermentern durch filamentös, d. h. fadenförmig wachsende Bakterien und Pilze.

Bei dieser Art der Kultivierung der Organismen mĂŒssen betrĂ€chtliche Mengen Energie eingesetzt werden: zum RĂŒhren, zur Temperatursteuerung, BelĂŒftung, Aufarbeitung und Sterilisation. Optimale Kultivierungsbedingungen sind daher eine wichtige Voraussetzung fĂŒr eine energie- und ressourcenschonende Produktion.

Viele filamentös wachsende Organismen bilden bei Submerskultivierung großvolumige Aggregate. Diese Pellets fĂŒhren zu einer schlechten Versorgung der Zellen mit Sauerstoff und NĂ€hrstoffen und damit insgesamt zu einer reduzierten ProduktivitĂ€t.

Ziel des Forschungsprojektes, welches  das DECHEMA Forschungsinstitut (Frankfurt) gemeinsam mit der W42 Industrial Biotechnology GmbH (Marl) und der Surflay Nanotec GmbH (Berlin) durchfĂŒhrt, ist es daher, die Aggregatbildung durch Zugabe von Mikropartikeln zum NĂ€hrmedium zu reduzieren bzw. zu steuern – und so die Ausbeute und damit die Energie- und Ressourceneffizienz des Prozesses zu steigern. Dazu wird der Einfluss unterschiedlicher Mikropartikel auf ausgewĂ€hlte mikrobielle Wirkstoffproduzenten systematisch untersucht.

Mikroskopische Aufnahme von Caldariomyces fumago in Gegenwart (links) und Abwesenheit (rechts mit Pellet-bildung) von 10 g/L Al2O3-Partikeln

Mithilfe des MPEC-Verfahrens (microparticle enhanced cultivation) lĂ€sst sich die Pellet-bildung in Kulturen filamentöser  Mikroorganismen unterdrĂŒcken. Dies ermöglicht die AusprĂ€gung von feinem Mycel und Wachstum in freien Hyphen. Am Beispiel unterschiedlicher Enzyme sowie Duft- und Aromastoffe ließ sich zeigen, dass die Zugabe von Mikropartikeln die Bildung von Biomasse wie von Produkten verschiedener Pilzkulturen steigern kann.

In ersten Versuchsserien wurden kommerziell erhĂ€ltliche anorganische und organische Partikel eingesetzt. Im weiteren Verlauf werden die Partikel spezifisch fĂŒr den jeweiligen Wirkstoff und die Anwendung »maßgeschneidert«. Die Layer-by-Layer-Technologie der Surflay Nanotec GmbH erlaubt es, funktionalisierte Polymere auf die Partikel aufzubringen und so die Ober-flĂ€cheneigenschaften gezielt zu modifizieren, ohne den Grundpartikel zu verĂ€ndern. Zudem wird der Einfluss maßgeschneiderter Mikropartikel auf Morphologie und ProduktivitĂ€t von industriellen ProduktionsstĂ€mmen aus der W42-Stammsammlung untersucht. Im Ergebnis lassen sich derart optimierte Prozesse direkt in die Praxis umsetzen. Neben der ProduktivitĂ€tssteigerung ist die Reduktion umweltbelastender Faktoren das primĂ€re Projektziel.

Die neue Technologie soll exemplarisch fĂŒr prominente und aktuelle industrielle ProduktionsstĂ€mme entwickelt und in die Praxis umgesetzt werden. Das Verfahren hat Modellcharakter fĂŒr andere fermentativ hergestellte Stoffe und Prozesse.

Prinzip und DurchfĂŒhrung der Layer-by-Layer (LbL)-Technologie

Projektthema:
Entwicklung eines mikropartikelbasierten Bioprozesses zur nachhaltigen Produktion pharmazeutischer Wirkstoffe 

ProjektdurchfĂŒhrung:
DECHEMA Forschungsinstitut

Theodor-Heuss-Allee 25
60486 Frankfurt am Main
Telefon    069 7564-337
dfi@dechema.de
www.dechema-dfi.de

W42 Industrial Biotechnology GmbH,
Marl
www.w42biotechnology.de

Surflay Nanotec GmbH,
Berlin
www.surflay.com


AZ 30808