Zusammenfassung

Die erfolgreiche Umsetzung vieler biotechnologischer Prozesse in konventionellen Reaktoren wird trotz theoretisch hoher Produktionsraten durch die Toxizität von Substraten oder Produkten behindert. Um diese Einschränkungen zu überwinden, können Stammentwicklung und Verfahrenstechnik gemeinsam an integrierten Reaktions- und Trenntechniken arbeiten. Eine mögliche Methode ist die in situ Flüssig-flüssig-Extraktion, bei der eine zweite flüssige organische Phase hinzugefügt wird, in der sich die toxischen Komponenten anreichern können, während ihre Konzentration in der wässrigen Phase gesenkt wird. Zu diesem Zweck entwickelte Mehrphasenreaktorkonzepte verfügen in der Regel über ein gerührtes Kompartiment, in dem ein Rührer Blasen und Tropfen dispergiert. Die fein dispergierten Tropfen verursachen Emulsionen, die sich nur schwer abtrennen lassen. Dies führt zu einer verminderten Effizienz durch den Verlust von wertvoller Biomasse und Produkten, die in den Emulsionen enthalten sind. Innerhalb von MK-ScaLoop stellen wir uns dieser Herausforderung mit dem innovativen Mehrphasen-Schlaufenreaktor (MPLR, Figure 1). In diesem Reaktor werden Extraktion und Begasung in getrennten Zonen, dem Riser und Downcomer, durchgeführt. Die geringere Turbulenz im Downcomer-Kompartiment führt zu Tropfengrößen, die leichter koaleszieren und somit als kohärente Phase abgezogen werden können. Im Rahmen von MK-ScaLoop wird das Konzept des MPLRs, das bereits im Bench-Scale (5 L) erprobt wurde, weiterentwickelt und auf einen biotechnologischen Prozess in Bezug auf ökologische und ökonomische Aspekte übertragen. Ein Vergleich zu gerührten Mehrphasenreaktoren mit einem Kompartiment soll das Innovationspotenzial des MPLRs aufzeigen. Mit Hilfe des MPLR soll die biotechnologische Herstellung von Methylketonen (MK) mit einer Kettenlänge von C11 bis C17 ermöglicht werden. MK stellen eine Gruppe von stark reduzierten Plattformchemikalien dar, die derzeit industriell aus erdölbasierten Kohlenwasserstoffen hergestellt werden. Sie werden in der Duft- und Geschmacksstoffindustrie, der Pharmazie und der Agrochemie eingesetzt und werden auch als Biodieselmischungen diskutiert. Zur Herstellung von MK ist der gentechnisch veränderte Produktionsstamm Pseudomonas taiwanensis VLB120 der Ganzzell-Biokatalysator mit der bisher besten Produktausbeute. Daher wird der Organismus für den Einsatz und die Bedingungen im MPLR weiter genetisch angepasst. Ebenso wird der Reaktor fluiddynamisch charakterisiert und für eine günstige Fermentation und Phasentrennung im abiotischen Scale-up (100 L) angepasst. Ein numerisches Reaktormodell, das mit aus den fluiddynamischen Experimenten abgeleiteten Kenngrößen parametrisiert wird, liefert die Bedingungen im technischen Maßstab. Diese Bedingungen werden experimentell nachgebildet und im kleinen Maßstab untersucht (Scale-down-Ansatz). Unter Berücksichtigung von (regionalen) Marktbedingungen wird die Integration einer Gesamtprozesskette von der Substratbereitstellung bis zum Produktmarktzugang unter der Annahme einer Produktion im industriellen Maßstab (>10.000 t/a) bewertet. Diese wird hinsichtlich ökologischer und ökonomischer Auswirkungen mittels Life-Cycle-Costing (LCC) und Life-Cycle-Assessment (LCA) analysiert, einschließlich der von der Datenverfügbarkeit abhängigen Vergleiche zur konventionellen MK-Produktion. Der Prozess in MK-ScaLoop ist auch die exemplarische Grundlage, um prospektive LCA-Methoden für biotechnologische Prozesse im Allgemeinen weiterzuentwickeln.

BOOST FUND 2.0 Projektleiterin

Diana Wall
AVT.FVT - Fluidverfahrenstechnik
RWTH Aachen

Partner

Prof. Dr. Andreas Jupke & Diana Wall, AVT.FVT - Fluidverfahrenstechnik
Prof. Dr. Lars Blank & Dr. Till Tiso, iAMB - Angewandte Mikrobiologie, RWTH Aachen
Dr. Wilhelm Kuckshinrichs & Dr. Petra Zapp, IEK-STE - Systemforschung und Technologische Entwicklung, Forschungszentrum Jülich

Projektlaufzeit

01.07.2022 - 30.06.2025

Förderung

MK-ScaLoop ist Teil des NRW-Strategieprojekts BioSC und wurde vom Ministerium für Kultur und Wissenschaft des Landes Nordrhein-Westfalen gefördert.

Publikationen

Ziegler, AL, Grütering, C, Poduschnick, L, Mitsos, A and Blank, LM (2023). Co-feeding enhances the yield of methyl ketones. J Ind Microbiol Biotechnol 50(1).