Tools zur Prozessentwicklung für Fermentationen unter ungewöhnlichen Bedingungen (ProTool I)

Zur mikrobiellen Biotransformation unter extremen Bedingungen müssen neue Tools und verfahrenstechnische Konzepte entwickelt werden, wobei die Prozessentwicklungsphase schon frühzeitig mit der Entwicklung von Prozessführungsstrategien und der Up-Scaling-Phase verknüpft werden muss. Hier sind miniaturisierte, modulare Bioreaktorsysteme hilfreich, etwa zur Prozessentwicklung oder zur effizienten Gewinnung von Daten, die in ein Metabolic Engineering, eine Verfahrensentwicklung oder -optimierung eingehen sollen. Derzeit sind diese Systeme nur für mikrobielle Reaktionen unter Standardbedingungen geeignet. Für „extreme“ Reaktionsbedingungen sind zwangsläufig spezielle Entwicklungen (konstruktiv, Werkstoffauswahl, Automation, Steuerung und Regelung) erforderlich. Eine wesentliche Bedeutung kommt der Etablierung effizienter Strategien zum Monitoring sowie zur Steuerung und Regelung der Prozesse zu. Das gilt insbesondere auch dann, wenn innerhalb eines Unternehmens eine Vielzahl unterschiedlicher Produkte unter möglichst optimalen Bedingungen hergestellt wird. Für eine schnelle und sichere Umsetzung der Laborergebnisse in den Produktionsmaßstab bieten sich darüber hinaus geeignete Trainingssimulatoren an, die die erforderlichen Prozessschritte und die im Labor erarbeiteten Prozessparameter beinhalten und dazu beitragen, die Inbetriebnahmezeiten für neue Prozesse auf industrieller Ebene erheblich zu verkürzen und die Produktionssicherheit durch ein verbessertes Mitarbeitertraining erhöhen.

Zur Lösung der angesprochenen Problemstellungen wurden durch den Forschungsverbund „ProTool“ die folgenden Aspekte bearbeitet:

1. Entwicklung spezieller Fermentationstechniken, z.B. Festbett mit immobilisierten Mikroorganismen, integriert in Multi-Bioreaktoren (Fa. medorex, Pörtner)
2. Modulare Multi-Bioreaktoren zum Einsatz unter extremen Bedingungen und zum intensiven Monitoring für die Prozessentwicklung (Fa. medorex, Fa. Schoop, Pörtner)
3. Modellgestützte Kontrolle, Regelung und Prozessführung von Fermentationsprozessen (z. B. adaptive Prozessführungsstrategien) (Fa. Schoop, Fa. ZytoVision, Hass, Fa. medorex, Pörtner)
4. Echtzeit– und Trainingssimulatoren (Hass, Fa. Schoop, Fa. ZytoVision, Pörtner)

Stichworte

• adaptive Steuerung
• Bioreaktor
• Festbettreaktor
• Kinetische Modellierung
• Milchsäurebakterien

Publikationen

• Frahm, Björn and Lane, Paul and Atzert, Hendrik and Munack, Axel and Hoffmann, Martin and Hass, Volker C and Pörtner, Ralf: Adaptive, model-based control by the Open-Loop-Feedback-Optimal (OLFO) controller for the effective fed-batch cultivation of hybridoma cells Biotechnology progress, 18(5): S. 1095--1103, 2002.
• Pörtner, R and Seemuk, M and Schlothauer, R.-C and Elsser, D: Anaerobe Kultivierung vonLactococcus lactis im Festbettreaktor Chemie Ingenieur Technik, 76(10): S. 1599--1602, 2004.
• Pörtner, Ralf: BioIndustrie2021 - Biokatalyse2021. Verbundprojekt: Tools zur Prozessentwicklung für Fermentationen unter extremen Bedingungen (Pro Tool - Teilprojekt TUHH): Veröffentlichung der Ergebnisse von Forschungsvorhaben im BMBF-Programm "Biologische Innovation und "Okonomie (BIO)" ; Laufzeit: 01.08.2008 bis 30.04.2012. [].
• Fassnacht, Dieter and I. Reimann, R Pörtner und H Märkl: Scale-up von Festbettreaktoren zur Kultivierung tierischer Zellen Chemie Ingenieur Technik, 2001(73): S. 1075-1079, 2001.