“BioBreak – Enzymes for Biomass Breakdown”

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Nina Ihling

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Pflanzliche Biomasse gilt als eine der wichtigsten Quellen erneuerbarer Rohstoffe für die ökonomische Umwandlung von Energie, sowie Produktion von Treibstoffen und Chemikalien. Um langfristig fossile Energieträger vollständig ersetzen zu können, ist eine effiziente Nutzung pflanzlicher Rohstoffe essentiell. Da die Verarbeitung der komplex aufgebauten Biomasse verschiedene physikalische, chemische und biokatalytische Schritte erfordert, bei denen insbesondere eine Vielzahl teurer Enzyme zum Einsatz kommen, ist es von entscheidender Bedeutung, diese Enzyme in großem Maßstab möglichst kostengünstig zu produzieren.

Das „BioBreak“-Projekt strebt daher die Produktion biomasseabbauender Enzyme durch Verwendung von zwei in der Industrie gut bekannten bakteriellen Expressionsplattformen an, die die bisher vor allem auf Basis von Pilzen genutzten eukaryotischen Systeme erweitern oder ersetzen sollen. Beide Systeme sind in der Lage, die heterolog hergestellten Enzyme in das Medium zu sekretieren und somit auch die sich an die Enzymproduktion anschließende Aufarbeitung entscheidend zu erleichtern. Neben dem industriell sehr weit verbreiteten Organismus Escherichia coli, wofür in diesem Projekt ein zur Sekretion fähiger Stamm verwendet wird, wird außerdem das Gram-positive Bakterium Bacillus subtilis untersucht. Innerhalb der Arbeitsgruppe am Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik soll im Rahmen des Projektes die Optimierung der Fermentation und die Übertragung vom Mikrotiterplattenmaßstab in den Reaktormaßstab erfolgen.

Um Ressourcen zu sparen, wird zunächst eine gründliche Charakterisierung beider Systeme im Mikrotiterplattenmaßstab unter Verwendung der BioLector®-Technologie vorgenommen. Mit Hilfe fluoreszierender Reporterproteine können sowohl die Produktbildung als auch weitere wichtige Prozessparameter (Gelöstsauerstoffkonzentration, Biomassekonzentration, NADH-Bildung) online überwacht und verglichen werden. Nach der Optimierung entscheidender Prozessparameter wie Induktorkonzentration, Induktionszeitpunkt, Temperaturoptimum und Medienzusammensetzung, wird der Prozess zunächst in den Schüttelkolbenmaßstab hochskaliert und die Ergebnisse werden reproduziert.

Unter Verwendung der RAMOS®-Technologie werden die Varianten, die die höchste Enzymkonzentration zeigen, im Schüttelkolben weiter charakterisiert. Um die Enzymausbeute weiter zu steigern, werden optimale Bedingungen für eine fed-batch Betriebsweise ermittelt. Dazu wird die RAMOS®-Technik mit am Lehrstuhl entwickelten Schüttelkolben, die das Zufüttern verschiedener Komponenten ermöglichen, kombiniert. Anschließend wird die Fermentation in den Laborfermentermaßstab übertragen.

Schlussendlich wird eine Hochzelldichtefermentation durchgeführt, um maximale Enzymkonzentrationen zu erreichen. Dazu wird ein am Lehrstuhl vorhandener, einzigartiger 50 L Druckfermenter genutzt, der mit bis zu 10 bar Überdruck betrieben werden kann und dadurch insbesondere den Sauerstofftransfer erhöht.

Beteiligte Gruppen

Koordination: Prof. Dr. Karl-Erich Jaeger, Institut für molekulare Enzymtechnologie, Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf

Prof. Dr. Lutz Schmitt, Institut für Biochemie I, Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf
Prof. Dr. Antje Spieß, Lehrstuhl für Enzymprozesstechnik (AVT.EPT), RWTH Aachen, Aachen

Industriepartner

AB Enzymes GmbH, Feldbergstrasse 78, 64293 Darmstadt, Germany
Gefördert durch: BioSC (Bioeconomy Science Center)