prot P.S.I. - protein Pressure Specific Activity Impact

Abstract

Der Schlussbericht der Innovationsallianz protP.S.I. beschreibt Arbeiten, um konventionelle chemische Produktionsverfahren, in denen Druck eine Rolle spielt, durch biotechnologische Alternativen zu ersetzen. Konkret wurden durch den Einsatz spezifischer Enzyme und eine gezielte Steuerung des Drucks in Feinchemikalien-Produktionsprozessen sowohl die Produktausbeute und -qualität erhöht als auch die Produktionskosten gesenkt. Bereits in der ersten Förderphase wurden hierfür wichtige Grundlagen gelegt. Ein besonderer Fokus lag auf der ökologischen Nachhaltigkeit: Die neuen Verfahren sollen Ressourcenschonung, Abfallvermeidung und Energieeinsparung ermöglichen. Dies trägt nicht nur zur ökonomischen Effizienz bei, sondern wirkt sich auch positiv auf soziale Nachhaltigkeitsaspekte aus. In der zweiten Förderphase wurden diese Ansätze auf weitere Branchen – etwa die Lebensmittelindustrie – übertragen, um durch die gezielte Nutzung des Prozessparameters Druck weitere nachhaltige und effiziente Produktionsmethoden zu etablieren. Die Ziele des Teilprojekts B1 umfassten den Bau und die Inbetriebnahme einer Demonstrations-Reaktoranlage im Technikumsmaßstab, die Immobilisierung von Enzymen sowie die Erweiterung der Reaktorsensorik für Sauerstoff, pH und CO₂. Ein innovatives Reaktorkonzept basierend auf dem Jet-Loop-Prinzip wurde entwickelt und konstruktiv umgesetzt. Ein zentraler Aspekt war die räumliche Trennung von Enzymimmobilisierung und Begasung, um unerwünschte Effekte durch direkten Gaskontakt mit dem Biokatalysator zu vermeiden. Das Konzept umfasst zwei Strömungsschlaufen: Die innere sorgt für intensive Durchmischung und Stoffaustausch, während die äußere mehrere Bioreaktoren um den zentralen Reaktor anordnet. Dies erleichtert die Skalierung und ermöglicht mehrstufige enzymatische Reaktionen. Am Beispiel der Glucoseoxidation zeigt sich das Prinzip: In einem Reaktor oxidiert Glucoseoxidase Glucose, während in einem zweiten immobilisierte Katalase Wasserstoffperoxid abbaut. Ein zentraler Energieeintrag über eine Treibdüse steigert die Effizienz und reduziert den apparativen Aufwand. Bewährte Konzepte aus dem Labormaßstab, wie elektro-optische Sensorik, wurden in den großtechnischen Aufbau übernommen. Zur Integration in das Prozessleitsystem WinErs wurden Anpassungen vorgenommen, sodass Messwerte nun in Echtzeit erfasst und ausgewertet werden. Das Teilprojekt C1 fokussierte sich auf eine Reaktionskaskade im Festbettreaktor zur Synthese von Sialyllactose. In der ersten Projektphase wurde eine zweistufige Kaskade zur Synthese von N-Acetylneuraminsäure etabliert. In der zweiten Phase erfolgte die Erweiterung um zwei Enzyme zur Sialyllactose-Synthese. Die benötigten Enzyme wurden bei GALAB hergestellt, isoliert, lyophilisiert und für längere Lagerung stabilisiert. Ein Screening verschiedener Trägermaterialien führte zur erfolgreichen Immobilisierung der Enzyme, die anschließend in Edelstahl-Säulen integriert wurden. Die Optimierung erfolgte durch Untersuchungen zur Druckabhängigkeit von Aktivität, Stabilität und Selektivität. Einige Enzyme zeigten unter Hochdruck eine erhöhte Aktivität, was die Prozessbedingungen erweiterte und die Nutzungsdauer verlängerte. In Teilprojekt C2 wurden reaktionskinetische Modelle für den Festbett-Strömungsreaktor entwickelt und zur experimentellen Versuchsplanung genutzt. Die gewonnenen Daten flossen in die Modellüberarbeitung und die Entwicklung einer Standard Operating Procedure (SOP) für die Prozessautomatisierung ein. Ziel war die Pilotversion eines neuen Prozessleitsystems (PLS) „WinErs-Enzyme“ mit Hochdruck-Funktionalität. GALAB etablierte eine zweistufige enzymatische Sialyllactose-Synthese im Festbettreaktor. Die Enzyme wurden produziert, immobilisiert und kinetisch charakterisiert. Parallel dazu entwickelte die AG Hass ein erweitertes enzymatisches Prozessmodell für WinErs, während IB Schoop die erste Pilotversion des PLS realisierte. Die Optimierung des Hochdruck-Festbettreaktors erfolgte durch den Einsatz digitaler Zwillinge (DT), die Stabilitäts-, Leistungs- und Funktionsanalysen der Regelungsstrategien ermöglichten. Erweiterte Schnittstellen für neue Sensoren wurden integriert. Zudem optimierte AGRANO in Kooperation mit der AG Hass die industrielle Produktion von Bio-Nährmedien mittels adaptiver Prozessführungsstrategien. Durch die Verknüpfung mit dem PLS WinErs wird eine erhebliche Reduktion von Aufwand und Kosten in der biotechnologischen Prozessentwicklung erwartet. Die modellgestützte Prozessoptimierung soll auch kleinen Unternehmen zugänglich gemacht werden. Das Projekt leistete einen Beitrag zur Vereinfachung dieses Verfahrens, um es zeitgleich mit Pilotexperimenten durchzuführen. Eine neue adaptive, modellgestützte Prozessstrategie für die at-line-Prozessoptimierung unter Druck soll die Entwicklungszeit biotechnologischer Prozesse deutlich verkürzen.