Energie- und ressourceneffiziente Antibiotikaproduktion

Antibiotika werden weltweit in großen Mengen hergestellt. Allein die industrielle Produktion von Penicillinen und Cephalosporinen beläuft sich auf 40 000 – 70 000 Tonnen pro Jahr. Produziert werden Antibiotika zu einem erheblichen Teil in Großfermentern durch filamentös, d. h. fadenförmig wachsende Bakterien und Pilze.

Bei dieser Art der Kultivierung der Organismen müssen beträchtliche Mengen Energie eingesetzt werden: zum Rühren, zur Temperatursteuerung, Belüftung, Aufarbeitung und Sterilisation. Optimale Kultivierungsbedingungen sind daher eine wichtige Voraussetzung für eine energie- und ressourcenschonende Produktion.

Viele filamentös wachsende Organismen bilden bei Submerskultivierung großvolumige Aggregate. Diese Pellets führen zu einer schlechten Versorgung der Zellen mit Sauerstoff und Nährstoffen und damit insgesamt zu einer reduzierten Produktivität.

Ziel des Forschungsprojektes, welches  das DECHEMA Forschungsinstitut (Frankfurt) gemeinsam mit der W42 Industrial Biotechnology GmbH (Marl) und der Surflay Nanotec GmbH (Berlin) durchführt, ist es daher, die Aggregatbildung durch Zugabe von Mikropartikeln zum Nährmedium zu reduzieren bzw. zu steuern – und so die Ausbeute und damit die Energie- und Ressourceneffizienz des Prozesses zu steigern. Dazu wird der Einfluss unterschiedlicher Mikropartikel auf ausgewählte mikrobielle Wirkstoffproduzenten systematisch untersucht.

Mithilfe des MPEC-Verfahrens (microparticle enhanced cultivation) lässt sich die Pellet-bildung in Kulturen filamentöser  Mikroorganismen unterdrücken. Dies ermöglicht die Ausprägung von feinem Mycel und Wachstum in freien Hyphen. Am Beispiel unterschiedlicher Enzyme sowie Duft- und Aromastoffe ließ sich zeigen, dass die Zugabe von Mikropartikeln die Bildung von Biomasse wie von Produkten verschiedener Pilzkulturen steigern kann.

In ersten Versuchsserien wurden kommerziell erhältliche anorganische und organische Partikel eingesetzt. Im weiteren Verlauf werden die Partikel spezifisch für den jeweiligen Wirkstoff und die Anwendung »maßgeschneidert«. Die Layer-by-Layer-Technologie der Surflay Nanotec GmbH erlaubt es, funktionalisierte Polymere auf die Partikel aufzubringen und so die Ober-flächeneigenschaften gezielt zu modifizieren, ohne den Grundpartikel zu verändern. Zudem wird der Einfluss maßgeschneiderter Mikropartikel auf Morphologie und Produktivität von industriellen Produktionsstämmen aus der W42-Stammsammlung untersucht. Im Ergebnis lassen sich derart optimierte Prozesse direkt in die Praxis umsetzen. Neben der Produktivitätssteigerung ist die Reduktion umweltbelastender Faktoren das primäre Projektziel.

Die neue Technologie soll exemplarisch für prominente und aktuelle industrielle Produktionsstämme entwickelt und in die Praxis umgesetzt werden. Das Verfahren hat Modellcharakter für andere fermentativ hergestellte Stoffe und Prozesse.

Projektthema:
Entwicklung eines mikropartikelbasierten Bioprozesses zur nachhaltigen Produktion pharmazeutischer Wirkstoffe 

Projektdurchführung:
DECHEMA Forschungsinstitut
Theodor-Heuss-Allee 25
60486 Frankfurt am Main
Telefon    069 7564-337
dfi@dechema.de
www.dechema-dfi.de

W42 Industrial Biotechnology GmbH, Marl
www.w42biotechnology.de

Surflay Nanotec GmbH, Berlin
www.surflay.com

AZ 30808