Bioprozesstechnische Charakterisierung eines organophilen Pervaporation-Bio-Hybridreaktors am Beispiel einer Aromabiosynthese

Abstract

Die wirtschaftliche Nutzung biotechnologischer Aromasyntheseverfahren scheitert häufig an deren Unwirtschaftlichkeit aufgrund geringer Produkterträge und –ausbeuten. Ursächlich hierfür ist insbesondere die starke Produktinhibierung der mikrobiellen Aromastoffbildung. Diese kann auf bioprozesstechnischem Weg durch eine In-situ-Produktabtrennung vermindert bzw. vermieden werden. Dabei werden die Aromastoffe zeitgleich zu ihrer Entstehung aus dem Bioreaktor abgetrennt. Für diese Aufgabe eignet sich in besonderer Weise die organophile Pervaporation. <br /> Die technische Umsetzung der pervaporativen In-situ-Produktabtrennung erfolgt in der vorliegenden Arbeit durch die unmittelbare Integration der Trennoperation Pervaporation in den Pervaporation-Bio-Hybridreaktor. Ziel der Arbeit ist eine umfassende Charakterisierung des Pervaporation-Bio-Hybridprozesses am Beispiel der Gewinnung eines Fruchtaromas unter Nutzung des Schimmelpilzes Ceratocystis fimbriata in Submerskultur. <br /> Im ersten Abschnitt wird der Einfluss der Fermentationssubstrate und Betriebsparameter auf die Produktabtrennung im Pervaporation-Bio-Hybridprozess quantifiziert und bewertet. Die unterschiedlichen Wirkungen der Fermentationssubstrate und Betriebsparameter fließen dabei in Direktiven für die Prozessführung ein. Der zweite Abschnitt der Arbeit befasst sich mit der Erörterung der Fermentationskinetik und der Trenncharakteristik des Pervaporation-Bio-Hybridprozesses. Neben dem Wachstum und dem Substratabbau liegt der Untersuchungsschwerpunkt hierbei auf den Produktkonzentrationsverläufen im Bioreaktor und im Permeat. Gegenstand des dritten Abschnitts ist die Bewertung des Potenzials der Pervaporation-Bio-Hybridtechnik zur Effizienzsteigerung mikrobieller Aromastoffsynthesen. Dazu wird der Pervaporation-Bio-Hybridprozess mit einer klassischen Submersfermentation verglichen. Der vierte Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines mathematischen Bioprozessmodells. Dieses eignet sich zur mathematischen Erfassung der Produktkonztentrationsverläufe im Pervaporation-Bio-Hybridprozess. Es ist in der Lage, den Einfluss der Güte des Produktaustrages auf die Produktbildung zu simulieren und stellt somit ein geeignetes Hilfsmittel bei der Entwicklung von Pervaporation-Bio-Hybridprozessen im Hinblick auf die Optimierung der Reaktorauslegung dar. <br /> Diese Arbeit liefert umfassende Informationen zur Charakteristik von Pervaporation-Bio-Hybridprozessen für die Aromastoffgewinnung. Auf diese Weise wird ein wichtiger Beitrag zum Verständnis dieser Hybridtechnik geleistet. Die Ergebnisse der Arbeit können als Informationsgrundlage der Entwicklung, Planung und Umsetzung von Pervaporation-Bio-Hybridprozessen dienen und zeigen Wege zu einer optimalen Prozessführung auf. Darüber hinaus wird mit der Entwicklung eines Bioprozessmodells ein mathematisches Werkzeug zur Bestimmung einer optimalen Reaktorauslegung bereitgestellt.

<strong>Bioprocess Engineering Characterization of a Hybrid Organophilic Pervaporation-Bioreactor for the Production of Natural Aroma Compounds</strong><br /> Biotechnological processes for the production of natural aroma compounds are of increasing interest due to the consumer demands for natural aroma additives in food. Research over the last decade has indicated high potential from the use of microorganisms for aroma production. The diversity of aroma compounds from microbial origin is apparently unlimited, but many of these processes are currently not economically feasible. In particular, product inhibition can limit the yield of bioreactions as metabolism of most microorganisms is only possible within a narrow range of metabolite concentrations. As product inhibition often results in a fermentation broth with a low concentration of products, large reactor volumes are required to meet production demands and the broth has to undergo costly downstream processing to recover the diluted product. Product inhibition can, however, be reduced or avoided by withdrawing inhibiting substances from the fermentation. This concept, often referred to as “in situ product removal“, requires a biocompatible separation operation that is highly selective for the inhibiting substances. These requirements can be met by the use of organophilic pervaporation membranes.<br /> The present study looked at a hybrid pervaporation-bioreactor for in situ product removal of volatile flavor metabolites formed by the filamentous fungus Ceratocystis fimbriata during submerged fermentation. The aim of this work was to elaborate a comprehensive characterization of the hybrid pervaporation-bioreactor from a bioprocess engineering point of view. This was done in order to provide essential information for the optimization of their design and control. Hence, the interactions of fermentation kinetics and separation performance in a hybrid pervaporation-bioreactor were investigated.<br /> Firstly, the effects of fermentation parameters and substrates on the pervaporation process were studied and the results translated into directives for the design and control of the hybrid pervaporation-bioreactor. Secondly, the process was characterized with regards to fermentation kinetics (i. e. biomass growth, substrate consumption and product formation), as well as to the behavior of the separation process during fermentation. The third part of this thesis consists of comparative studies of the hybrid process and a conventional submerged fermentation. The Results show that space-time-yields, as well as substrate yields of the products, can be significantly increased by applying this hybrid technique. Finally, a mathematical bioprocess model was developed, which simulates the influence of separation performance on overall product formation. The model can, therefore, act as a useful tool for optimization of the process layout.<br /> By providing a comprehensive characterization of a hybrid pervaporation-bioreactor, this research contributes to the development and implementation of this type of processes in industrial production of natural aroma compounds.