Development of a Continuous Parallel Shaken Bioreactor System in Small Scale

Stipendiatin/Stipendiat: Dr. Ali Akgün

Die Kultivierung von Mikroorganismen bildet die Grundlage der Forschungen im Bereich der Mikrobiologie und der Biotechnologie und verläuft meist in wässrigen Kulturmedien. Diese kommen jedoch häufig 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 Rückständen 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 für 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 über die Aufklärung der Wachstumskinetiken und tatsächlichen Nährstoffbedürfnisse der Mikroorganismen. Folglich wird fortwährend nach besseren Kultivierungstechniken gesucht. Daher ist die kontinuierliche Fermentationstechnik eine wichtige Möglichkeit für 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 Zufütterung der benötigten chemischen Bestandteile erfolgt. Kontinuierliche Fermentation ermöglicht es auch direkt in einen Fermentations-prozess einzugreifen und durch Veränderung verschiedener Parameter, den Prozess gezielt zu beeinflussen.Obgleich kontinuierliche Fermentaionsexperimente wichtige Informationen über biologische Systeme liefern, ist diese Technik in der akademischen und industriellen R&D-Praxis nicht sehr weit verbreitet. Wegen der hohen Kosten und komplizierten Laborausrüstung für eine kontinuierlichen Kultur, erfolgt in der Forschung häufig die Kultivierung in Batch-Kulturen. Im Gegensatz zu den Schüttelkolben, die gemeinhin wegen ihres geringen Volumens und ihrer einfachen Handhabung verwendet werden, werden herkömmliche kontinuierliche Fermentationen in den größeren und schwieriger zu handhabenden Bioreaktorgefäßen durchgeführt. Auf Grund der benötigten Steuer- und Regelungseinheit, ist es schwierig einen kontinuierlichen Fermenter einzusetzen, da in den meisten Fällen 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, verhältnismäßig große Mengen des sterilen Substrates herzustellen und es dem kontinuierlich laufenden Fermenter ständig zu zuführen. Wenn man bedenkt, daß die Einstellung einer stationären Phase in einer kontinuierlichen Fermentation häufig 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 Ansätzen getestet werden müssen. Bei der Verwendung der konventionellen, kontinuierlichen Fermentationstechnik ist auf Grund des hohen Material- und Zeitaufwandes ein paralleler Einsatz von mehreren Rührkessel-reaktoren meist nicht möglich.Dieses Projekt stellt die Entwicklung eines neuen kontinuierlichen Bioreaktor-Systems basierend auf die Schütteltechnologie vor. Sie vereint die Vorteile der kontinuierlichen Fermentation im Kleinmaßstab mit den Vorzügen der Schüttelkolben welche kostengünstig und leicht zu handhaben sind. Die Arbeiten im Rahmen dieses Projekts führen zu einer auch unter industriellen Randbedingungen allgemein einsetzbaren Methodik, welche die zielgerichtete Optimierung von Bioprozessen auf Basis von mechanistischem Prozessverständnis erlaubt. Die neue kontinuierliche Schüttelreaktortechnik bietet dazu hervorragende Chancen. Es soll die Verwendung von komplexen Medienbestandteilen vermieden und der Aufwand für die Rückstandsentsorgung bei Fermentationsprozessen signifikant reduziert werden. Als Folge wird dieses Projekt einen entscheidenden Beitrag zum Prozessintegrierten Umweltschutz leisten

Förderzeitraum:
01.10.2001 - 30.09.2004

Institut:
Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule
Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik
Sammelbau Biologie

Betreuer:

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