Promotionsstipendium: Dr. Ali AkgĂŒn

Development of a Continuous Parallel Shaken Bioreactor System in Small Scale

SchĂŒttelreaktorDie Kultivierung von Mikroorganismen bildet die Grundlage der Forschungen im Bereich der Mikrobiologie und der Biotechnologie und verlĂ€uft meist in wĂ€ssrigen Kulturmedien. Diese kommen jedoch hĂ€ufig mit hohen Anteilen an komplexen Medienbestandteilen zum Einsatz, die oft nur zum kleinen Teil von den Mikroorganismen benötigt und verstoffwechselt werden (z.B. Melasse, Soja Mehl, Hefe-Extrakt,?). Dadurch werden große Abwassermengen mit einem hohen Gehalt an organischen RĂŒckstĂ€nden und einem hohen biologischen Sauerstoffbedarf (BSB) produziert. Parallel zur steigenden Zunahme der biologischen Forschungen kommt es zu weiterer steigenden Abwasser- und somit Umweltbelastung. Die Entwicklung von Medien ohne Komplexbestandteile bereitet oft Schwierigkeiten, da deren mechanistische Funktion fĂŒr die Versorgung der Mikroorganismen meist unbekannt ist. Um eine möglichst hohe Genauigkeit und gute Vergleichbarkeit der Ergebnisse bei solchen Experimenten zu erreichen, besteht ein großer Bedarf an genauen Aussagen ĂŒber die AufklĂ€rung der Wachstumskinetiken und tatsĂ€chlichen NĂ€hrstoffbedĂŒrfnisse der Mikroorganismen. Folglich wird fortwĂ€hrend nach besseren Kultivierungstechniken gesucht. Daher ist die kontinuierliche Fermentationstechnik eine wichtige Möglichkeit fĂŒr den Fortschritt in der modernen Fermentations-technologie. Zur Entwicklung komplexbestandteilfreier Kulturmedien können kontinuierliche Fermentationstechniken bei der Bioprozessentwicklung sehr vorteilhaft eingesetzt werden. Durch sie ist es möglich dass die Mikroorganismen im Zustand des stetigen Wachstums verweilen, in dem eine kontinuierliche ZufĂŒtterung der benötigten chemischen Bestandteile erfolgt. Kontinuierliche Fermentation ermöglicht es auch direkt in einen Fermentations-prozess einzugreifen und durch VerĂ€nderung verschiedener Parameter, den Prozess gezielt zu beeinflussen.Obgleich kontinuierliche Fermentaionsexperimente wichtige Informationen ĂŒber biologische Systeme liefern, ist diese Technik in der akademischen und industriellen R&D-Praxis nicht sehr weit verbreitet. Wegen der hohen Kosten und komplizierten LaborausrĂŒstung fĂŒr eine kontinuierlichen Kultur, erfolgt in der Forschung hĂ€ufig die Kultivierung in Batch-Kulturen. Im Gegensatz zu den SchĂŒttelkolben, die gemeinhin wegen ihres geringen Volumens und ihrer einfachen Handhabung verwendet werden, werden herkömmliche kontinuierliche Fermentationen in den grĂ¶ĂŸeren und schwieriger zu handhabenden BioreaktorgefĂ€ĂŸen durchgefĂŒhrt. Auf Grund der benötigten Steuer- und Regelungseinheit, ist es schwierig einen kontinuierlichen Fermenter einzusetzen, da in den meisten FĂ€llen ein Experte erforderlich ist. Die kontinuierlichen Kulturexperimente mit herkömmlichen Fermentationstechnologien sind außerdem extrem Zeit und Material aufwendig und folglich sehr kostspielig. Wegen des großen Reaktorvolumens ist es notwendig, verhĂ€ltnismĂ€ĂŸig große Mengen des sterilen Substrates herzustellen und es dem kontinuierlich laufenden Fermenter stĂ€ndig zu zufĂŒhren. Wenn man bedenkt, daß die Einstellung einer stationĂ€ren Phase in einer kontinuierlichen Fermentation hĂ€ufig einige Wochen oder gar Monate dauert, kann man sich den entstehenden Aufwand vorstellen. Ein weiterer Nachteil tritt beim Screening auf, bei dem verschiedenen Variabeln in parallel AnsĂ€tzen getestet werden mĂŒssen. Bei der Verwendung der konventionellen, kontinuierlichen Fermentationstechnik ist auf Grund des hohen Material- und Zeitaufwandes ein paralleler Einsatz von mehreren RĂŒhrkessel-reaktoren meist nicht möglich.Dieses Projekt stellt die Entwicklung eines neuen kontinuierlichen Bioreaktor-Systems basierend auf die SchĂŒtteltechnologie vor. Sie vereint die Vorteile der kontinuierlichen Fermentation im Kleinmaßstab mit den VorzĂŒgen der SchĂŒttelkolben welche kostengĂŒnstig und leicht zu handhaben sind. Die Arbeiten im Rahmen dieses Projekts fĂŒhren zu einer auch unter industriellen Randbedingungen allgemein einsetzbaren Methodik, welche die zielgerichtete Optimierung von Bioprozessen auf Basis von mechanistischem ProzessverstĂ€ndnis erlaubt. Die neue kontinuierliche SchĂŒttelreaktortechnik bietet dazu hervorragende Chancen. Es soll die Verwendung von komplexen Medienbestandteilen vermieden und der Aufwand fĂŒr die RĂŒckstandsentsorgung bei Fermentationsprozessen signifikant reduziert werden. Als Folge wird dieses Projekt einen entscheidenden Beitrag zum Prozessintegrierten Umweltschutz leisten

AZ: 20001/141

Zeitraum

01.10.2001 - 30.09.2004

Institut

Rheinisch-WestfÀlische Technische Hochschule
Lehrstuhl fĂŒr Bioverfahrenstechnik
Sammelbau Biologie

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Betreuer

Prof. Dr. Jochen BĂŒchs