Charakterisierung der Fluiddynamik und des Stofftransports von wässrigen Zweiphasensystemen (ATPS) in einer flüssig-flüssig Gegenstromextraktionskolonne

Wässrige Zweiphasensysteme (ATPS) werden z.B. durch die Lösung eines hydrophilen Polymers und eines Salzes in Wasser gebildet. Sie bieten im Gegensatz zu organisch-wässrigen Systemen schonende Umgebungsbedingungen für die Extraktion von Proteinen. [1] Dennoch geht der Einsatz von ATPS selten über die Anwendung im Labor hinaus. Dies liegt zum einen am Aufwand ein passendes Extraktionssystem auszuwählen, zum anderen an den hohen Anforderungen an die apparative Umsetzung aufgrund ihrer extremen physikalischen Eigenschaften wie geringe Dichtedifferenz und Grenzflächenspannung. [2] Zur Überprüfung der technischen Umsetzbarkeit im kontinuierlichen Betrieb wurden flüssig-flüssig Extraktionsversuche in einer vollständig temperierten DN32 Extraktionskolonne mit gerührten Einbauten durchgeführt. Ausgewählt wurde ein Stoffsystem mit Polyethylenglykol und Phosphat als Phasenbildner und Albumin als Übergangskomponente, für das zunächst die Mischungslücke in Abhängigkeit des pH-Werts und der Verteilungskoeffizient bestimmt wurden. Das ATPS wurde anschließend in der Kolonne hinsichtlich der Fluiddynamik und des Stoffaustauschs untersucht. Die Einflüsse der Flüssigkeitsbelastung, des Volumenstromverhältnisses und der Rührerdrehzahl auf die Betriebsgrenze und die Trennleistung, wurden vermessen und werden im Rahmen des Posters präsentiert. Der kontinuierliche Betrieb von ATPS in einer Gegenstromextraktionskolonne wurde erfolgreich realisiert und bei einer aktiven Höhe von 1575 mm bereits mehr als 2 theoretische Trennstufen erreicht. [1] Albertsson, P.-Å., 1986: Partition of cell particles and macromolecules (3. ed.). New York. Wiley [2] Rosa, P. A. J. et al., 2010: Aqueous two-phase systems: A viable platform in the manufacturing of biopharmaceuticals. J Chromatogr A, 1217 (16), 2296–230

Respiration-based investigation of adsorbent-bioprocess compatibility

Background: The efficiency of downstream processes plays a crucial role in the transition from conventional petrochemical processes to sustainable biotechnological production routes. One promising candidate for product separation from fermentations with low energy demand and high selectivity is the adsorption of the target product on hydrophobic adsorbents. However, only limited knowledge exists about the interaction of these adsorbents and the bioprocess. The bioprocess could possibly be harmed by the release of inhibitory components from the adsorbent surface. Another possibility is co-adsorption of essential nutrients, especially in an in situ application, making these nutrients unavailable to the applied microorganism. Results: A test protocol investigating adsorbent-bioprocess compatibility was designed and applied on a variety of adsorbents. Inhibitor release and nutrient adsorption was studied in an isolated manner. Respiratory data recorded by a RAMOS device was used to assess the influence of the adsorbents on the cultivation in three different microbial systems for up to six different adsorbents per system. While no inhibitor release was detected in our investigations, adsorption of different essential nutrients was observed. Conclusion: The application of adsorption for product recovery from the bioprocess was proven to be generally possible, but nutrient adsorption has to be assessed for each application individually. To account for nutrient adsorption, adsorptive product separation should only be applied after sufficient microbial growth. Moreover, concentrations of co-adsorbed nutrients need to be increased to compensate nutrient loss. The presented protocol enables an investigation of adsorbent-bioprocess compatibility with high-throughput and limited effort

TaReCa – Cascade utilization of horticultural biomass for a resource efficient production of valuable bioactive substances

Viele pflanzliche Sekundärmetabolite haben antioxidative oder andere bioaktive Eigenschaften, weshalb sie einerseits wichtige Bestandteile der menschlichen Ernährung sind, andererseits aber auch als pharmazeutische Verbindungen oder als Substrat für die chemische Synthese von bioaktiven Substanzen verwendet werden. Pflanzen induzieren die Produktion solcher nutzbaren Sekundärmetabolite wie z.B. Flavonoiden als Reaktion auf abiotischen Stress. Die Produktion von Gemüse und Früchten in Gewächshäusern hinterlässt große Mengen an ungenutzter pflanzlicher Biomasse, welche eine potentielle Ressource für die Gewinnung wertvoller Metabolite darstellt. Durch eine kaskadenartige Verwendung von Gartenbaukulturen zur Produktion von Früchten und Gemüse mit einer anschließenden Gewinnung hochwertiger Substanzen aus der verbleibenden Restbiomasse würde ein erheblicher Mehrwert generiert. Das Projekt TaReCa bearbeitet die Entwicklung einer maßgeschneiderten Kaskadenverwertung von Paprikapflanzen-Restbiomasse aus dem Gartenbau. Dabei soll der pflanzliche Sekundärmetabolismus durch spezifische abiotische Stressbedingungen nach der Fruchternte gezielt induziert werden, um die Konzentrationen der Zielmetaboliten zu steigern. Durch umweltfreundliche und wirtschaftliche Extraktionsprozesse und eine anschließende Verwertung des verbleibenden Pflanzenmaterials in einer Bioraffinerie wird die Wertschöpfungskette erweitert. Eine Analyse der Anwendungsgebiete sowie Untersuchungen zur Akzeptanz der induzierten Inhaltsstoffe, Prozesse und Technologien werden helfen, das Marktpotenzial der Restbiomasse für die Nutzung in Kaskaden zu evaluieren. Die maßgeschneiderte Nutzung von Gartenbaubiomasse durch Lebensmittelproduktion, Extraktion bioaktiver Sekundärmetabolite und Bioraffinerien kann wirtschaftlich relevante, biobasierte Produkte für industrielle Anwendungen erzeugen und somit zur Entwicklung einer nachhaltigen, effizienten und integrierten Bioökonomie beitragen, ohne mit der Lebensmittelproduktion zu konkurrieren.Many plant secondary metabolites have antioxidant or pharmaceutically relevant properties, which makes them important components of the human diet, but also as pharmaceutical compounds or for the chemical synthesis of bioactive substances. Plants induce the production of secondary metabolites, e.g. flavonoids in response to environmental stress stimuli. The production of vegetables and fruits in greenhouses leaves huge amounts of so far under-utilized biomass after fruit harvest, which is a potential source for production of valuable metabolites. A cascade utilization of horticultural crops to produce fruits and vegetables with subsequent extraction of high quality compounds would generate significant added value. The project TaReCa is working on the development of a tailored cascade utilization of bell pepper plant residues from horticulture. The secondary metabolism will be induced by specific abiotic stress treatments after the last fruit harvest, in order to increase the concentrations of the target metabolites. Eco-friendly and economical extraction processes and subsequent utilization of the remaining plant material in a biorefinery will expand the value chain. An analysis of the application areas as well as studies on the acceptance of the induced ingredients, processes and technologies will help to evaluate the market potential of the residual biomass for the proposed cascaded use. The tailored utilization of horticultural biomass in food production, extraction of bioactive secondary metabolites and biorefineries can produce economically relevant bio-based products for industrial applications and thus contribute to the development of a sustainable, efficient and integrated bioeconomy without competing with food production