Prozeßintegrierter Umweltschutz in der biotechnologischen Produktion durch online Biosensor-Monitoring

Monitoring der biotechnologischen Produktion für prozeßintegrierten Umweltschutz - MPU

 


Eine Kooperation zwischen der Firma Echaz Microcollections Tübingen und dem Institut für Physikalische und Theoretische Chemie der Uni Tübingen

 

Biotechnologische Herstellungsverfahren für Sekundärmetabolite wie Antibiotika, Aminosäuren, rekombinante Proteine und pharmakologisch relevante Substanzen haben einen stark expandierenden Markt. Die Firma EMC (ECHAZ microcollections EMC, Tübingen) ist spezialisiert in der Automation von chemischen und biochemischen Synthese- und Aufarbeitungsverfahren und Hersteller von Produkten aus kombinatorischen Verfahren. EMC wurde in ihren Kontakten mit Pharmafirmen darauf angesprochen, ob es neuartige Ansätze der Prozeßüberwachung gäbe, die zur Ressourcenschonung und zur Entlastung von Abfallproblemen beitragen könnten. In Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Prof. Gauglitz werden chemische bzw. biochemische Sensoren im Bereich der biotechnologischen Prozeßführung entwickelt. Die Erfahrungen der Arbeitsgruppe Gauglitz mit der Erforschung und Entwicklung optischer Transducersysteme sowie die dort etablierten Protokolle zur Modifikation von Transduceroberflächen für den Nachweis von pharmakologisch-, biotechnologisch- und umweltrelevanten Stoffen werden eingebracht.

Ein optischer Biosensor auf der Basis der reflektometrischen Interferenzspektroskopie (RIfS) wird entwickelt, der das markierungsfreie online-Monitoring biotechnologischer Synthesen erlaubt. Dabei wird die besondere Stärke von Biosensoren genutzt, aus komplexen Systemen selektiv und sensitiv Zielsubstanzen in kurzen Zeitintervallen zu erfassen. Eine solch komplexe Matrix stellt das Kulturmedium aus dem Fermenter dar. Der Fermentationsprozeß soll modellhaft in der Firma EMC durchgeführt und gemeinsam mit der Arbeitsgruppe Gauglitz die online-Verfolgung implementiert werden. Mit dieser Prozeßkontrolle läßt sich der Herstellungsprozeß besser steuern, der Einsatz der Nährmedien optimieren, die Produktausbeute maximieren und die anfallenden Abfallmengen minimieren. Damit wird das online-Monitoring einen wesentlichen Beitrag zum prozeßintegrierten Umweltschutz leisten. Gleichzeitig stellt die Verwendung eines Biosensor auf der Grundlage von RIfS eine umweltschonende Analysemethode dar, da eine spezielle Probenaufbereitung oder die Verwendung von organischen Lösungsmittel nicht notwendig ist.

Der Arbeits- und Zeitplan ist auf drei Jahre angelegt und erfordert eine intensive Zusammenarbeit zwischen KMU und universitärer Arbeitsgruppe. Diese erstreckt sich vor allem auf die Entwicklung einer optimalen Detektionseinheit am Fermenter und auf die zuverlässige Detektion der produzierten Substanz in ihrer komplexen Matrix.

Innerhalb des Projekts wird die Entwicklung eines laborfähigen Prototyps abgeschlossen und die Optimierung eines der folgenden drei industriell genutzten Prozesse erfolgen: Herstellung der Aminosäure L-Glutaminsäure, des Antibiotikums Vancomycin und des Thrombininhibitors Hirudin. Mit der Auswahl dieser Modellsubstanzen soll die universelle Anwendbarkeit der Detektionsmethode gezeigt werden. Eine Automatisierung durch online-Kontrolle des Fermentationsprozesses wird die Optimierung ermöglichen. Das neue optische Sensorsystem wird innerhalb von 3 Jahren in dem Verbundprojekt zwischen Prof. Gauglitz (Universität Tübingen) und ECHAZ microcollections, EMC, zu einem laborfähigen Prototyp entwickelt. Danach werden von der KMU-Firma EMC mit kundenspezifischen Substraten Detektoren hergestellt und vermarktet. EMC kann aus eigener Kraft diese umweltrelevanten produktions- und produktintegrierten Systeme nicht entwickeln.

Diese online-Verfolgung biotechnologischer Prozesse ist darüber hinaus nicht nur für die Firma EMC, sondern auch für andere KMU’s der pharmazeutischen und biotechnologischen Industrie von großem Interesse und weist modellhaften Charakter auf.


 

Ansprechpartner:

Günter Gauglitz, Martin Mehlmann, Institut für Physikalische und Theoretische Chemie

Guenther Jung, EMC Echaz Microcollections, Tübingen

siehe auch homepage: http://barolo.ipc.uni-tuebingen.de/