m i t Escherichia coli - Forschungszentrum Jülich

1 Einleitung
und in geringem Maß für medizinische Zwecke verwendet [Ager u. a. 1998]. Die Holland
Sweetener Company, ein Joint Venture der Unternehmen DSM und Tosoh, stellt
Aspartam großtechnisch in einem chemo-enzymatischen Verfahren her [Schmid u. a. 2001].
Aminosäuren wie L-Glutaminsäure, L-Lysin oder L-Threonin werden in mikrobiellen
Fermentationsverfahren produziert. Die aromatischen Aminosäuren L-Phenylalanin und
L-Tryptophan lassen sich ebenfalls fermentativ und dabei enantiomererein herstellen.
Anstelle von toxischen, fossilen Ausgangsmaterialien wie Benzol oder teuren synthetischen
Vorstufen kann der nachwachsende Rohstoff D-Glucose, der aus Pflanzenstärke
günstig verfügbar ist, verwendet werden [Frost und Lievense 1994]. Insgesamt erscheinen
Fermentationsprozesse, die sich durch milde Bedingungen auszeichnen, nach wirtschaftlichen
Aspekten überlegen [Drauz u. a. 2002]. Verschiedene Ansätze zur fermentativen
L-Phenylalanin-Produktion wurden in der Vergangenheit entwickelt, beispielsweise mit
C. glutamicum oder E. coli. E. coli eignet sich aufgrund des sehr gut bekannten Stoffwechsels,
des schnellen Wachstums auf definiertem Medium, das die Produktaufarbeitung
vereinfacht und hoher Selektivitäten [Bongaerts u. a. 2001].
Als Voraussetzung für die technische Entwicklung eines Bioprozesses zur Produktion von
L-Phenylalanin muss ein geeigneter Produktionsstamm zur Verfügung stehen. Die weitere
Bioprozessentwicklung umfasst den Fermentationsprozess und die Produktaufarbeitung.
Bei der Fermentationsprozessentwicklung steht die Optimierung von Kultivierungsparametern,
Reaktorauslegung, Prozessführung und -regelung zur Steigerung von Effizienz
und Produktivität im Mittelpunkt. Die abschließende Produktaufarbeitung dient zur
Abtrennung und Aufreinigung des Produktes [Weatherley 1994].
Am Ende eines Fermentationsprozesses liegen die Produkte in geringer Konzentration
in wässriger Lösung in einem Gemisch aus Produkt, Salzen, organischen Säuren, Proteinen,
Zellmatrix, intakten Zellen und weiteren Bestandteilen vor. Dadurch liegt der Anteil
der Kosten der Aufarbeitung an den gesamten Produktionskosten zwischen 15 % (z.B.
bei Ethanol) und mehr als 80 % bei der Herstellung hochwertiger rekombinanter Proteine
[Stanbury u. a. 1995], [Weatherley 1994]. Zumeist wird das Produkt erst im Anschluss an
die fermentative Produktion aufgearbeitet. Eine Abtrennung bereits während des Bioprozesses
kann jedoch Vorteile bieten, beispielsweise die Vermeidung von Inhibierungen durch
hohe Produktkonzentrationen während des Produktionsprozesses. Daneben kann die Anzahl
der nachfolgenden Aufarbeitungsschritte durch ein In situ-Aufarbeitungsverfahren reduziert
werden. Ein wirtschaftlicher Vorteil besteht darin, dass Investitionskosten bei einer
kontinuierlichen Aufarbeitung durch die kleineren Volumenströme gesenkt werden können
[Freeman u. a. 1993]. Auch durch eine Rückführung des Nährstoffe enthaltenden Mediums
lassen sich Kosten sparen [Martak u. a. 1997]. Dennoch ist eine In situ-Abtrennung anstelle
einer separaten Produktaufarbeitung nach dem Produktionsende selten. Die Begründung
dafür liegt in den erhöhten Anforderungen, die an ein integriertes Aufarbeitungsverfahren
gestellt werden, um eine Beeinträchtigung des Produktionsprozesses zu vermeiden.
So muss ein Einfluss auf die Reaktionsbedingungen und ein Eintrag toxischer Substanzen
ausgeschlossen werden. Dennoch wurden Produktionsprozesse beschrieben, die durch
eine integrierte Aufarbeitung verbessert werden konnten [Wieczorek und Brauer 1998],
[Gerigk u. a. 2002b], [Maaß u. a. 2002].
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