Extremophiles as cell factories

• Research unit: EU RFP
• Project number: 97.0066

Key words (German)

Extremophile Organismen; Kultivation; Stoffübergang; Dialyse; Fallfilmreaktor

Alternative project number (English)

EU project number: BIO4-CT96-0488

Research programs (English)

EU-programme: 4. Frame Research Programme - 4.1 Biotechnology

Short description (German)

Siehe Abstract

Partners and International Organizations (German)

Technische Universität Hamburg-Harburg

Abstract (German)

Mit extremophilen Organismen können verschiedene industriell interessante Produkte, so z. B.
Enzyme, die auch bei hohen Temperaturen oder pH-Werten wirksam sind (Anwendungsbeispiel:
Waschmitteladditive), hergestellt werden. Im Sinne einer wirtschaftlichen Herstellung solcher Produkte mittels extremophilen Organismen sollen während der Kultivation über hohe Biomassekonzentrationen hohe volumenspezifische Ausbeuten erreicht werden können. In diesem Zusammenhang sind neuartige Fermentationsverfahren gefragt, die auch im Pilot- und Produktionsmassstab angewendet werden können. Verschiedene Prinzipien und Systeme wurden bisher evaluiert, welche es ermöglichen, die bei hohen Biomassekonzentrationen notwendigen hohen Stoffübergänge der Metaboliten einerseits und des
Sauerstoffs anderseits auch bei grösseren Reaktorvolumina (Pilot- und Produktionsmassstab) zu
gewährleisten. Zwei verschiedene Verfahren wurden in diesem Zusammenhang ausgewählt und die entsprechenden Pilotreaktoren entwickelt.
Das erste System basiert auf einem Dialysemodul, welches als Bypass in ein Fermentationssystem integriert werden kann. Die Dialyse erfolgt dabei im Gegenstrom über eine Membran; Metabolitkonzentrationen im Kulturmedium werden auch bei hohen Biomassekonzentrationen auf ein physiologisches Mass reduziert. Das Modul wird zudem mit Luft oder Sauerstoff begast, um die Atmung der Organismen auch während der Passage des Dialysemoduls aufrecht erhalten zu können. Nachdem erste Konstruktionen unter Verwendung eines dampfsterilisierbaren Edelstahlmoduls mit integrierten Membranschläuchen sich aufgrund von Materialproblemen nicht als scale-up fähig erwiesen haben, werden nun vorsterilisierbare Einwegmodule verwendet. Diese Module können abhängig von der Prozessgrösse in entsprechender Anzahl parallel zueinander geschaltet in den Prozess integriert werden. Zur sterilen Verbindung mit dem eigentlichen Kulturgefäss (Typ Rührkesselreaktor) wurde eine Vorrichtung entwickelt, um die notwendigen Verbindungen mit Dampf in-situ sterilisieren zu können.
Zur Zeit werden die Druckverhältnisse des Gesamtsystems optimiert und Probekultivationen im Labormassstab gefahren. Erste Ergebnisse zeigen, das zumindest die hohen Zelldichten erreicht werden können.
Ein zweites System zur Kultivation bei hohen Zelldichten wird parallel entwickelt. Mit diesem System sollen besonders hohe Sauerstoffübergangsraten erreicht werden können. Das System wird als pneumatischer Fallfilmreaktor bezeichnet: Die Kulturbrühe wird über einen in-situ dampfsterilisierbaren Kompressor durch eine Düse unter gleichzeitiger Beimischung von Luft oder Sauerstoff in das temperierte Steigrohr eines Kreislaufsystems gepresst und anschliessend über ein Fallrohr mit Füllkörperschüttung wieder dem Kompressor zugeführt. Ein Laborsystem aus PMMA wurde bisher schon rheologisch optimiert. Zur Zeit wird nun ein ähnliches, in-situ dampfsterilisierbares System aus Rostfrei-Stahl entworfen und gebaut, mit dem Kultivationen durchgeführt werden können.

References in databases (English)

Swiss Database: Euro-DB of the
State Secretariat for Education and Research
Hallwylstrasse 4
CH-3003 Berne, Switzerland
Tel. [phone]
Swiss Project-Number: 97.0066