Das Projekt "International Workshop 'From Gram to Ton Biocatalysis' - Productivity and Downstream-Processing in Biocatalysis" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Dortmund, Fachbereich Bio- und Chemieingenieurwesen, Lehrstuhl für Biotechnik durchgeführt. Zielsetzung und Anlass des Vorhabens: Die Forschung auf dem Gebiet der chemischen Biotechnologie erbrachte in den letzten 30 Jahren eine Fülle neuer Möglichkeiten mittels Biotechnologie bestehende Verfahren in ökologischer und in ökonomischer Hinsicht zu optimieren und neue Produkte zugänglich zu machen. Ein Hauptaugenmerk galt hierbei auf Seiten der (Hochschul)forschung dem Auffinden (Screening) von Biokatalysatoren, dem Design sowie deren biochemischer/chemischer Charakterisierung. Nur einige wenige Gruppen haben sich mit einer Prozessentwicklung beschäftigt, die biologische, chemische und verfahrenstechnische Ansätze integriert (z. B. FZ Jülich, TU Delft, Imperial College London, ETH Zürich). Die industrielle Anwendung beschränkte sich mit ganz wenigen Ausnahmen auf technisch gut beschriebene Reaktionssysteme. In den allermeisten Fällen wird die breite kommerzielle Umsetzung aber von strukturellen und technischen Faktoren limitiert (siehe auch DECHEMA und EFB/ESAB Positionspapiere: Weiße Biotechnologie). Ziel der Veranstaltung war es, Forschungs- und Entwicklungsdefizite (sowohl in Akademie als auch Industrie) speziell auf dem Gebiet der Maßstabsvergrößerung nachhaltiger Bioprozesse und Produktaufarbeitung klar zu identifizieren und innovative Lösungsansätze -ganz im Sinn der Agenda 21 -vorzuschlagen. Die Veranstaltung Weiße Biotechnologie (21. und 22. Februar 2005, Berlin) sowie das Fachgespräch ChemBioTec (8. und 9. März 2005, Osnabrück) legten u. a. die Basis für eine eingehende Auseinandersetzung mit den heutigen Limitationen des Einsatzes von Bioprozessen in der chemischen Industrie. Während in Berlin der gesellschaftliche, politische und wirtschaftliche Rahmen klar definiert wurde, resultierte das Fachgespräch im März in einer klaren Auflistung von derzeitigen technischen und strukturellen Herausforderungen. In der Veranstaltung 'Gram to Ton Biocatalysis' sollten diese nun konkretisiert und in Forschungs- und Entwicklungsfragen übersetzt werden. Hierbei galt es u. a. Möglichkeiten zur Bildung von Forschungsnetzwerken bestehend aus Forschungsinstituten, KMU und Großunternehmen zu identifizieren und erste Vor-schläge zur Realisierung auszuarbeiten. Das hieß konkret auch, Verbünde und Kooperationsvorhaben zu installieren, die klar produkt-bzw. verfahrensorientiert spezifische Fragestellungen zur Realisierung nach-haltiger chemisch-biotechnologischer Produktionsverfahren bearbeiten wollen. Dieselben werden in Form einer konzertierten Aktion (Forschungsverbund ChemBioTec) unter Federführung von Prof. Andreas Schmid bei der DBU zur Förderung eingereicht werden. Der Forschungsverbund ChemBioTec soll sich schwerpunktmäßig mit der nachhaltigen Produktivitätssteigerung biokatalytisch-/chemischer Verfahren und Bioprozesse befassen. Eine zentrale Aufgabe dieses Kompetenznetzwerks wird der Brückenschlag zwischen (Hochschul)forschung und Industrie, Forschung ud Ausbildung und zwischen den Fachgebieten Biologie, Chemie und Ingenieurwesen sein.
Das Projekt "ChemBioTec - Entwicklung eines innovativen und umweltfreundlichen Verfahrens zur erstmaligen biotechnologischen Produktion von natürlichem (+)-Nootkaton als Riech- und Duftstoff für die Kosmetik- und Arzneimittelind. sowie als Aromastoff für die Lebensmittelindustrie" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von N-Zyme BioTec GmbH durchgeführt.
Das Projekt "ICBio: Modularer Mikro-Hohlfaserreaktor zur maßgeschneiderten Proteinabtrennung in Zellkulturtechnik" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Leibniz Universität Hannover, Institut für Technische Chemie durchgeführt. Zielsetzung und Anlass des Vorhabens: Ein zukunftsweisender Ansatz für die Durchführung von kontinuierlichen und integrierten biotechnologischen Verfahren ist die Einbindung von Hohlfasermodulen in den Produktionsprozess. Diese sind in der Lage, auf einfache Weise die Abtrennung von Produkten oder die Rückhaltung von Verfahrensbestandteilen, wie Zellen oder immobilisierten Biokatalysatoren zu ermöglichen. Ferner lassen sich modifizierte und gezielt funktionalisierte Hohlfasern für die hochaffine Bindung von Metaboliten nutzen. Dies lässt sich für die Isolierung von Wertstoffkomponenten, zur Entfernung qualitätsmindernder Bestandteile und zur Aufreinigung von Rohprodukten ausnutzen. So können integrierte Produktionsabläufe aufgebaut werden, deren ökonomische und ökologische Bilanz durch Ressourcenschonung, durch Verringerung der Produktkontamination, durch Energieeinsparung und durch Minderung der Reststofffrachten im Vergleich zu herkömmlichen Produktionsprozessen erheblich verbessert wird. Ziel des Projekts ist die Entwicklung funktionalisierter Hohlfasermodule auf Basis der Mikrohohlfaserkassetten für die Bereiche Kultivierung und Downstreaming, um integrierte Prozessabläufe zu ermöglichen, sowie deren Testung und Etablierung an Modellsystemen. Fazit: Durch die Aufnahme neuer Arbeitspakete wie die Weiterentwicklung bzw. vollständige Neukonstruktion des MHFRs, die den erfolgreichen Einsatz des Reaktors im Bereich Kultivierung erst ermöglicht haben, konnten die Arbeiten zum weiterführenden Arbeitspaket 7 (Anwendungsbereich Wirkstofftestung) im Rahmen der Projektlaufzeit nicht abschließend bearbeitet werden. Arbeitspakete zur Modifikation der Basismembran zur Anbindung von Liganden sowie der Aufbau und Charakterisierung der funktionalisierten Hohlfasermodule sind vollständig abgeschlossen. Eine Vielzahl verschiedener Oberflächenfunktionalitäten der Hohlfasermembranen wurde generiert und an verschiedenen Targetmolekülen, die von den entsprechenden Mikroorganismen produziert werden, getestet. Weitere Arbeitspakete im Bereich Kultivierung und Downstreaming sind in den letzten Monaten intensiv bearbeitet worden und zeigen vielversprechende Ergebnisse. So liegen nun optimierte MHFR vor, die ein großes Potential für vielfältige Anwendungen zeigen. Durch die ständige Weiterentwicklung des MHFRs konnte die erfolgreiche Kultivierung verschiedenster Mikroorganismen gewährleistet werden. Des Weiteren sind Strategien zur Aufreinigung und zum Nachweis der entsprechenden Produkte etabliert worden. Durch Kombination dieser beiden Arbeitsaspekte konnte die Option eines integrierten Downstream-Processings erarbeitet werden.
Das Projekt "Umwelt- und ressourcenschonende biotechnologische Produktion verzweigtkettiger Aminosäuren als pharmazeutische Wirkstoffe durch Entwicklung von Hochleistungsproduktionsstämmen des Bakteriums Corynebacterium glutamicum und integrierte umweltentlastende Produktaufarbeitungsstrategie" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Amino GmbH durchgeführt. Zielsetzung und Anlass des Vorhabens: Aminosäuren sind wirtschaftlich wertvolle Produkte. Dies gilt insbesondere für die eng verwandten verzweigtkettigen Aminosäuren L-Leucin, L-Isoleucin und L-Valin, deren Herstellung einer besonders großen Wertschöpfung unterliegt, und die unter anderem für pharmazeutische Zwecke in allerhöchster Reinheit benötigt werden. Es ist deswegen das Ziel, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem ausschließlich eine der genannten Aminosäuren gebildet wird, ohne dass andere Aminosäuren oder weitere Nebenprodukte gebildet werden. Dadurch sind erheblich einfachere und somit umwelt- und ressourcenschonendere Aufarbeitungsverfahren nötig, um das reine Endprodukt zu erhalten. Fazit: Durch die Arbeiten ist es gelungen, einen umfassenden Einblick in die Funktion und Bedeutung einzelner Transaminasen für die Aminosäurebildung mit Corynebacterium glutamicum zu gewinnen. Es gelang die Substratspezifität der Transaminase AroT zu verändern und die Kristallstruktur der Transaminase HisC zu bestimmen. Ferner gelang es durch genetische Arbeiten zwei Transaminasen auszuschalten und dadurch einen L-Valin Produktionsstamm erheblich zu verbessern. Indem die L-Valinausbeute erhöht wird und zudem weniger von der Begleitaminosäure L-Alanin gebildet wird, ist ein erheblich einfacheres und somit umwelt- und ressourcenschonenderes Aufarbeitungsverfahren erforderlich, um das reine Endprodukt L-Valin in Infusionsqualität zu gewinnen.
Das Projekt "BioIndustrie2021 - Biokatalyse2021: Teilvorhaben 1 und 2: Neue Bacillus Expressionssysteme" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Stern-Enzym GmbH & Co. KG durchgeführt. Gegenstand dieses Verbundprojektes ist es, neue, verbesserte Expressionssysteme zur industriellen Anwendung auf Basis des Gram-positiven Bakteriums Bacillus subtilis und darauf abgestimmte Fermentationsverfahren zu entwickeln. In diesem Teilprojekt stehen die Optimierung eines Phosphat-regulierten (pstS) - Expressionssystems sowie die Entwicklung eines C-Kataboliten-Niedrigtemperatur-Expressionssystems im Mittelpunkt. Es soll geprüft werden, ob eine Mutation in der putativen Spo0A-Binderegion im abrB-Promotorbereich eine Erhöhung des AbrB-Levels ermöglicht, um eine verstärkte phoPR Expression und damit Induktion des pstS-Promotors unter substratlimitierten Hochzelldichte-Fermentationsbedingungen zu erzielen. Durch markerfreie Deletion von Genen, die für prozesskritische extrazelluläre Proteine kodieren, soll das Downstream Processing der bevorzugt sekretierten Enzyme unterstützt und dadurch eine verbesserte Ausbeute erzielt werden. Für beide Expressionssysteme sollen geeignete Fed-batch-Fermentationsstrategie entwickelt werden. Schließlich soll geprüft werden, ob Oszillationen in der Phosphatverfügbarkeit im Fütterungsmedium zu einer länger anhaltenden Aktivität des pstS-Promotors unter Fed-batch-Fermentationsbedingungen und somit zu einer höheren Ausbeute führen. Ein Scale up von ausgewählten Verfahren dieses Teilprojekts wird durch die TUHH übernommen. Reinigungsverfahren, Aktivitäts- und Qualitätsbestimmungen sowie Applikationstests mit den überproduzierten Enzymen werden durch Stern-Enzym durchgeführt. Die im Rahmen dieses Teilprojektes entwickelten B. subtilis Expressionssysteme und Fermentationsstrategien werden für die Überproduktion von ausgewählten technischen Enzymen der Stern-Enzym GmbH (u.a. Amylasen, Xylanasen und Branchingenzyme) getestet. Darüber hinaus stehen die hier entwickelten Wirts-Vektor-Systeme und Verfahren den anderen Projektpartnern des Clusters BIOKATALYSE2021 für akademische Zwecke frei zur Verfügung.
Das Projekt "Förderschwerpunkt Biotechnologie: ChemBioTec: Identifizierung, Erforschung und rekombinante Herstellung innovativer Laccasen für die Produktion von Feinchemikalien im großtechnischen Maßstab zur Substitution umweltbelastender chemischer Synthesen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Greifswald, Institut für Biochemie, Abteilung Biotechnologie und Enzymkatalyse durchgeführt. Ziel des Projekts war es, über Laccase-vermittelte Reaktionen eine umweltfreundliche Synthese von Feinchemikalien vorzunehmen und somit im Rahmen der Weißen Biotechnologie ökoeffiziente Syntheseverfahren zu etablieren. Besonderes Augenmerk fiel hierbei auf die Gewinnung von sekundären Aminen. Dabei fanden Laccasen aus Weißfäulepilzen, direkt aus dem Pilz isoliert sowie rekombinant hergestellt, und rekombinante bakterielle Laccasen in Kopplungsreaktionen ihren Einsatz. Mit Beginn des Projekts erfolgte die Vereinbarung eine enzymvermittelte Synthese von sekundären Aminen anzustreben, um so prinzipielle Reaktionsmuster und -kinetiken für nachfolgende Untersuchungen zu erhalten. Die Beispielreaktion stellt die heteromolekulare Kopplungen eines ortho- bzw. para-dihydroxylierten, alkylsubstituierten aromatischen Laccase-Substrates und diverser aliphatischer Amine dar.
Das Projekt "Aufreinigungstechnologien - Technische Proteinkristallisation zur Aufreinigung, Stabilisierung und Formulierung pharmazeutisch aktiver Proteine" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Hochschule Biberach, Institut für Angewandte Biotechnologie (IAB) durchgeführt. Ausgewählte Zielproteine werden einem Kristallisationsscreening unterzogen, wobei Dampfdiffusions- und Microbatchverfahren eingesetzt werden. Davon ausgehend werden Phasendiagramme erstellt (Lichtstreuung und Selfinteraction chromatography). Geeignete Bachbedingungen dienen als Ausgangspunkt für die Hochskalierung im Rührkessel. Der Prozess wird so geführt, dass das Protein quantitativ in die kristalline Phase geht (kontinuierliche Zuführung von Protein oder Fällungsmittel, Vakuumverdampfung). Die Abtrennung der Kristalle erfolgt durch Filtrations- oder Zentrifugationsverfahren.
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