m i t Escherichia coli - Forschungszentrum Jülich

7 Integration der Reaktivextraktion in den Fermentationsprozess
tor am Ende mehr als zehnmal so hoch war wie im Bioreaktor. Insgesamt konnten mit
1,7 mol L-Phenylalanin 3/4 des produzierten L-Phenylalanins (2,26 mol) extrahiert werden.
7.2.2 Integrierte Produktabtrennung mit zwei Extraktionsphasen
während der Produktionsphase
Die Online-Extraktion über mehr als 20 Stunden hatte gezeigt, dass bis zu diesem
Zeitpunkt kein negativer Einfluss auf die Stoffwechselaktivität der Zellen und damit die
L-Phenylalanin-Bildung festzustellen war, sondern erst bei längerer Extraktionsdauer. Daher
wurde die Extraktionsdauer als Optimierungsparameter gewählt. Um einen negativen
Einfluss zu vermeiden, wurde ein Experiment mit nur 18 Stunden Gesamtextraktionsdauer
durchgeführt. Zusätzlich wurde dadurch die Betriebsdauer des Umlaufs und damit die
Einwirkung der Scherkräfte auf die Zellen verkürzt. Um gleichzeitig die Zellaktivität nach
deutlich kürzerer Online-Extraktion zu untersuchen, wurde die Extraktion in zwei Phasen
von 8 und 10 Stunden aufgeteilt (zwei Extraktionsphasen (2)).
Ein Anfangsvolumen von 10 l wurde gewählt, um das Verhältnis von Fermentationsvolumen
zu Umlauf-Volumen zu vergrößern. Dadurch sollte die Änderung der
Biomassekonzentration im Bioreaktor, insbesondere bei Permeatverlusten durch das
Abschalten und erneute Anschalten der Extraktion, minimiert werden. Dem Verlauf
der in Abschnitt 7.2.1 dargestellten Fermentation zufolge, sollte eine Fermentation mit
diesem relativ hohen Anfangsvolumen in dem verwendeten 20 l Bioreaktor technisch
möglich sein. Die Extraktion wurde kurz nach dem Ende der Wachstumsphase in der
Produktionsphase gestartet. Der Volumenstrom des Permeats lag zwischen 3,5 und
1,5 l/h. Der Volumenstrom der organischen Phase wurde mit ≈ 3,5 l/h höher gewählt
als bei der vorangegangenen Online-Extraktion, um den Extraktionsgrad zu erhöhen
und entsprach damit den in Abschnitt 7.1.3 getesteten Werten. Dadurch sollte eine
konstante Produktkonzentration im Bioreaktor oder sogar eine Absenkung der Konzentration
erreicht werden. Dem genannten Offline-Experiment entsprechend wurde für die
Akzeptorphase ein Volumenstrom von ≈ 2 l/h gewählt. Die erste Extraktionsphase lief
über 8 Stunden. Danach wurde die Extraktion abgeschaltet und die Zentrifugen und der
Umlauf zur Proteinrückhaltung gereinigt, während der Umlauf zur Zellrückhaltung weiter
lief, um eine Verblockung der Ultrafiltrationsmembran und eine Inaktivierung der Zellen
im Umlauf zu verhindern. Nach 6 Stunden wurde die Extraktion unter Verwendung neuer
Akzeptorlösung erneut für 10 Stunden integriert. Danach wurde die Fermentation ohne
Umlauf und Extraktion bis Stunde 50 fortgesetzt.
Wie in Abb. 7.12 dargestellt, lag die L-Phenylalanin-Konzentration bei Start der Extraktion
bei 80 mmol/l (13 g/l). Während der ersten Extraktionsphase stieg die Konzentration
im Bioreaktor auf 120 mmol/l (19,5 g/l) an, die im Akzeptor auf 134 mmol/l (22 g/l).
Die Konzentration im Raffinat lag bei ungefähr 2/3 der Konzentration im Permeat.
Die Extraktionsleistung war nicht ausreichend, um die Konzentration im Bioreaktor
konstant zu halten, obwohl ein höherer Volumenstrom der organischen Phase einen
höheren Extraktionsgrad zur Folge hätte haben sollen. Nach der ersten Extraktionsphase
wurde jedoch Feststoff in der ersten Zentrifuge gefunden. Die Feststoffbildung war nur
durch unzureichende Rückhaltung der Proteine im Ultrafiltrationsmodul zur erklären. Die
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