Aufarbeitung

Die Produktgewinnung in biotechnologischen Prozessen kann bis zu 80 % der gesamten Herstellkosten verursachen und ist somit für die Wirtschaftlichkeit der Verfahren von entscheidender Bedeutung. Ziel der Plattform ist die Bereitstellung eines Werkzeugkastens, der für den Entwurf biotechnologischer Aufarbeitungsverfahren Methoden für deren vorhersagende Berechnung und für eine zuverlässige Maßstabsvergrößerung zur Verfügung stellt.

Koordinator: Prof. Dr.-Ing. Gerhard Schembecker *

Industrielle biotechnologische Herstellprozesse werden sehr häufig aus dem kleinen Labormaßstab heraus entwickelt. Dabei bezieht sich ein Großteil der Entwicklungsarbeiten auf den Bereich der Stammentwicklung und der Definition optimaler Reaktionsbedingungen. Im Bereich der Stammoptimierung (Upstream) existieren bereits systematische Methoden zur zielgerichteten Steigerung der Produktivität. Dagegen wird der Downstream-Prozess oft isoliert von der biotechnologischen Umsetzung schrittweise und rein empirisch durch experimentelle Untersuchung einer Vielzahl denkbarer Trennverfahren ermittelt. Entwicklern biotechnologischer Prozesse fehlt dadurch oft das Gefühl, wie sich Entscheidungen für oder gegen bestimmte Aufarbeitungsschritte und deren Reihenfolge auf die Gesamtbilanz des Prozesses auswirken. Gleiches gilt für die Sensitivität des Downstream-Prozesses in Bezug auf veränderte Reaktionsbedingungen (z. B. pH-Wert oder Salzkonzentration). Das Augenmerk der Prozessentwickler richtet sich sehr oft nur auf die Maximierung der Ausbeute des gerade von ihnen bearbeiteten singulären Schrittes und lässt die Integration in den Gesamtprozess unberücksichtigt. Auch nach Aufnahme der Produktion liegen oft noch keine verlässlichen Massen- und Energiebilanzen vor, wodurch mögliches Optimierungspotential ungenutzt bleiben muss.

Dieser Entwicklung möchte die Plattform "Aufarbeitung" mit einem Werkzeugkasten entgegenwirken und so die ganzheitliche Bioprozessentwicklung unterstützen. Die Plattform soll die folgenden Technologien und Methoden vorhalten:

  • Messung von Stoff- und Gemischdaten in komplexen Systemen und deren Modellierung
  • Modellierung der Massen- und Energiebilanz sowie Kostenrechnung für ganze Herstellverfahren
  • Systematische Methoden für den konzeptionellen Entwurf von Downstreamprozessen auf Basis heuristischer Regeln und chemisch-physikalisch-biologischer Daten.
  • Analytische und präparative Trennoperationen und deren Modellierung (Kristallisation, Chromatographie, Extraktion, Membranverfahren, Trocknung etc.)
  • Sichere Methoden zur modellgestützten Maßstabsvergrößerung

Die Plattform "Aufarbeitung" hat ihr Zentrum an der Fakultät für Bio- und Chemieingenieurwesen der TU Dortmund. Zwischen den Lehrstühlen der Fakultät gibt es eine rege wissenschaftliche Zusammenarbeit, wodurch Zugang zu einer Vielzahl von Trenntechniken und Laboreinrichtungen besteht.

Innerhalb der Technologieplattform wird die Arbeitsgruppe “Innovative Downstream-Prozesse” am Lehrstuhl für Anlagen- und Prozesstechnik durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) über den Projektträger Jülich gefördert (FKZ 0315520). Leiter dieser Arbeitsgruppe ist Dr. Bernhard Burghoff. Im Rahmen der AG werden vielfältige Themen untersucht, z.B. Scale-up und Phänomenologie der Zerschäumung, Begasungskristallisation and Scale-up-Faktoren von Kristallisationsanlangen, sowie die Erstellung einer digitalen Wissensplattform zur biotechnologischen Aufarbeitung. Zudem wird die jährliche “Downstream Days Summer School” ausgerichtet. Die Summer School ist nicht nur die Gelegenheit für Doktoranden und Post Docs im Bereich der Aufarbeitung zur direkten Netzwerkbildung/-pflege, sondern sie bietet außerdem

  • Einblicke in den industriellen Alltag der Aufarbeitung aus erster Hand,
  • Hintergrundinformationen, Designstrategien und Berechnungsmethoden,
  • Direktförderung im Umfang von 50.000 € für die Durchführung von Machbarkeitsstudien im Rahmen eines Ideenworkshops.

Neben der Technologieplattform „Innovative Downstream Prozesse“, gefördert durch das BMBF, werden noch weitere Projekte am Lehrstuhl APT  im Rahmen von CLIB2021bearbeitet. Auch diese haben den Themenschwerpunkt Aufarbeitung.

  • Ein weiteres durch das BMBF geförderte Projekt befasst sich mit der “Optimierung der Zugänglichkeit von mikrobiellen Sekundärmetaboliten” (FKZ 0315404C). Hier werden Sekundärmetabolite aus Fermentationsmedien mittels Flüssig-Flüssig-Chromatographie isoliert. Eines der zentralen Themen ist die Optimierung der Kammergeometrie der verwendeten Fast Centrifugal Partition Chromatography, die zur chromatographischen Aufreinigung verwendet wird.Viele Werkzeuge bieten heutzutage Hilfestellung beim zuverlässigen Design chemischer Anlagen. Für biotechnologische Prozesse sind derartige Werkzeuge jedoch vollkommen unterentwickelt. Das Projekt “INOSIM BIO: Adaptives Simulations- und Optimierungswerkzeug für Biotechnologische Prozesse” (FKZ 0315377C) befasst sich mit der Weiterentwicklung der Designsoftware INOSIM BIO, die bei der Auslegung biotechnologischer Verfahrensalternativen zum Einsatz kommen soll.
  • Das Projekt “Isolierung von Reinstoffen aus Naturstoffen” ist eine Kooperation des Lehrstuhls für Anlagen- und Prozesstechnik mit einem Industriepartner im Rahmen von CLIB2021. Es zielt auf die Identifizierung neuer Strategien zur Gewinnung wertvoller Naturstoffe aus Pflanzenmaterial. Des Weiteren sollen die bei der Naturstoffgewinnung wichtigen Mechanismen näher beleuchtet werden.
  • Darüber hinaus wird die “Chromatographische Isolierung von Naturstoffen” (FKZ 0315663A) zur Aufarbeitung von Wertkomponenten aus Pflanzenmaterial betrieben. Das Projekt befasst sich mit der Modifizierung der chromatographischen Trennstrategie durch systematische Optimierung von Lösungsmitteln und stationärer Phase.
  • Zusätzlich arbeiten eine Reihe von Stipendiaten des CLIB-Graduiertenclusters eng mit den betreffenden Forschern zusammen, um den interdisziplinären Wissensaustausch zu fördern und von der gegenseitigen Expertise zu profitieren.

*Prof. Dr.-Ing. Gerhard Schembecker ist seit 2005 Leiter des Lehrstuhls für Anlagen- und Prozesstechnik im Fachbereich Bio- und Chemieingenieurwesen der Universität Dortmund. Prof. Schembecker hat an der Universität Dortmund Chemietechnik studiert, auf dem Gebiet der Expertensysteme promoviert und sich nach einem Forschungsaufenthalt an der Carnegie Mellon University in Pittsburgh, USA, auf dem Gebiet der Prozesssynthese habilitiert. Die Forschungsschwerpunkte von Prof. Schembecker umfassen den konzeptionellen Entwurf und die Simulation von Downstream-Prozessen mit experimentellem Fokus auf Chromatographie und Kristallisation.

Kontakt:

gerhard.schembecker@bci.tu-dortmund.de

URL: www.apt.bci.tu-dortmund.de/en

          

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