m i t Escherichia coli - Forschungszentrum Jülich

Biotrockenmasse [g/l]
40
30
20
10
7.2 Fermentationsprozess mit integrierter Reaktivextraktion von L-Phenylalanin
0
0 10 20 30 40 50
Zeit [h]
�, spez. ER [mmol/(g*h)]
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
Produktion
Extraktion
0.0
0 10 20 30 40 50
Zeit [h]
Abb. 7.11: Verlauf der Biomassekonzentration und der Biomasse-spezifischen
Produktbildungs- und Extraktionsraten (spez. ER); Berechnung der Produktbildungsrate
aus der ” berechneten“ L-Phenylalanin-Konzentration
[Gerigk 2001]. Die Zellaktivität nahm mit zunehmender Betriebszeit immer mehr ab und
die Zellen wurden geschädigt. Daneben war ein zunehmender Eintrag von organischer
Phase in den Bioreaktor durch die Rückführung des die Extraktion verlassenden Raffinats
wahrscheinlich. Insbesondere das in Wasser gering lösliche D2EHPA wurde aufgrund der
großen Phasengrenzfläche bei der Extraktion in Zentrifugen möglicherweise eingetragen.
Eine für die Zellen kritische Konzentration wäre demzufolge nach ungefähr 20 Stunden
Extraktion (≈38 Stunden Fermentation) erreicht gewesen.
Die Extraktionsrate, die sich aus der L-Phenylalanin-Konzentration im Akzeptor
bezogen auf die Biomasse im Bioreaktor berechnete, stieg während der ersten Stunden der
Extraktion auf 0,28 mmol/(g·h) an. Damit lag sie zunächst niedriger als die Produktbildungsrate,
so dass die Produktkonzentration im Bioreaktor anstieg. Im weiteren Verlauf
sank die Produktbildungsrate stärker als die Extraktionsrate, die bis zum Ende zwischen
0,1 mmol/(g·h) und 0,16 mmol/(g·h) lag. Dadurch nahm die Konzentration im Bioreaktor
ab und das produzierte L-Phenylalanin wurde fast vollständig extrahiert (vgl. Abb. 7.9).
Aufgrund der sinkenden Produktkonzentration nahm jedoch auch die Extraktionsrate ab.
Dabei lag der Extraktionsgrad über die gesamte Extraktiondauer bei ungefähr 35 %.
Die integrale Selektivität erreichte einen Maximalwert von 14,7 mol/mol % nach 29
Stunden und lag am Ende der Fermentation bei 11,6 mol/mol %. Dieser Wert lag deutlich
unter dem in einer Fermentation ohne integrierte Aufarbeitung erreichten integralen
Endwert der Selektivität von 14,5 %.
Mit dem Experiment konnte gezeigt werden, dass die Extraktion in den Zentrifugalextraktoren
online durchführbar war [Rueffer u. a. 2002]. Es gab keine technischen Probleme
bei der Permeatbereitstellung und der Extraktionsdurchführung. Das System war über die
gesamte Prozesszeit stabil. Darüber hinaus war in den ersten 20 Stunden der Extraktion
trotz des direkten Phasenkontaktes von Fermentationspermeat und organischer Phase
kein negativer Einfluss der Extraktion auf den Fermentationsprozess festzustellen. Das
L-Phenylalanin wurde im Akzeptor aufkonzentriert, so dass die Konzentration im Akzep-
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