Integration biokatalytischer Reaktionen in die extraktive Biokatalyse unter Einsatz wässriger mizellarer Zweiphasensysteme
Oliver Fellechner
Der Fokus dieser Arbeit liegt auf dem Einsatz von wässrigen mizellaren Zweiphasensystemen (AMTPS) für biotechnologische Prozesse. Hierfür wurden AMTPS für die in situ Extraktion aus enzymatischen Reaktionen, am Beispiel der Penicillin-Hydrolyse, und zur ex situ Extraktion in der Ganzzellkatalyse, am Bespiel von Mikroalgen, untersucht.
Das explizite Ziel der Betrachtung einer enzymatischen Reaktion war der Transfer zu einem kontinuierlichen, heterogenen Prozess mit in situ Produktabtrennung. Mit Hilfe der Überführung von Fixierungsstrategien des Enzyms im Reaktor von der Reaktivrektifikation zur extraktiven Biokatalyse konnte ein katalytischer Überzug entwickelt werden. Am Beispiel der strukturierten Packung CY konnte gezeigt werden, dass die beschichteten Packungen sowohl die Trennaufgabe für die Extraktion als auch die benötigte katalytische Oberfläche für die Reaktion bereitstellen können. Durch einen Vergleich verschiedener Prozessverschaltungen konnte gezeigt werden, dass für das hier verwendete Extraktionssystem ein Prozess im Gegenstrom mit Seiteneingang zu der größtmöglichen Ausbeute führt. Zusätzlich wurde ein Modell für die Prozesssimulation entwickelt, welches ein Abbilden der Experimente ermöglichte. Hierauf aufbauend konnte der Einfluss der Verteilungskoeffizienten der Reaktanten auf die Wahl der Prozessverschaltung untersucht werden. Darüber hinaus konnten durch den Einsatz eines Ionenaustauscherharzes und über eine Rückextraktion via pH shift Strategien zum Recycling des Lösungsmittels präsentiert werden.
Zusätzlich wurde die ex situ Extraktion bei Mikroalgenkulturen betrachtet. Es zeigte sich, dass die der Mischungslücke der für die Extraktion vorgesehenen Tenside und Wasser nicht im Kultivierungsbereich der Mikroalgen liegt. Durch den Einsatz von langkettigen, organischen Additiven konnte der Anwendungsbereich des Lösungsmittels angepasst und die Machbarkeit eines integrierten Prozesses demonstriert werden.
