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  EINSATZ VON MEMBRANEN BEI DER KONTINUIERLICHEN COENZYM-REGENERIERUNG

  Wandrey, C.; Institut für Biotechnologie, Kernforschungsanlage Jülich D-5170 Jülich, Postfach 1913 (1986)

  Bei Coenzymen, die als Transportmetabolite fungieren, muß die Beweglichkeit zwischen mindestens zwei aktiven Zentren gewährleistet sein. Daher verbietet sich eine gemeinsame Trägerfixierung von Enzymen und Coenzym, die diese Beweglichkeit ausschließt. In der Natur dienen Zellmembranen, die für Reaktanden und Produkte durchlässig sind, zur Abgrenzung komplexer Katalysatorsysteme. Ultrafiltrationsmembranen können analog dazu in der Technik zur Rückhaltung von Enzymen eingesetzt werden. Die Rückhaltung von Coenzymen gelingt nach kovalenter Bindung an wasser lösliche Polymere hinreichender Größe. Technische Membranen sind zwar im Vergleich zu biologischen Membranen wenig selektiv, gestatten aber die Verwendung von Pumpen, so daß ein diffusiver Austausch durch erzwungene Konvektion über die Membran ersetzt werden kann. Dadurch lassen sich in einem kontinuierlich durchflossenen Membranreaktor kleine Verweilzeiten - und bei entsprechend hoher Katalysatorkonzentration - große Raum-Zeit-Ausbeuten realisieren. Durch reaktionstechnische Optimierung auf der Basis genauer kinetischer Vermessung der Multi- Enzym-Systeme lassen sich die produktmengenspezifischen Coenzymkosten bei einigen NAD/NADH- und ADP/ATP-abhängigen Systemen soweit reduzieren, daß diese nicht mehr ökonomisch limitierend sind. Die kontinuierliche Coenzymregenerierung im Membranreaktor ist heute für Produktmengen im Kilogramm-Maßstab technisch machbar und bei hinreichender Wertschöpfung der entsprechenden Reaktionsschritte auch wirtschaftlich.
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  POLYMERE FUR SYNTHETISCHE MEMBRANEN UND IHRE CHEMISCHE MODIFIKATION

  Staude, Eberhard; Schmidt-Steffen, Alfred; Paßlak, Jürgen; Institut für Technische Chemie, Universität Essen - GHS (1986)

  Ohne das klassische Membranpolymer Cellulose und ihre Derivate wäre die Entwicklung der Theorien zum Transport durch Membranen und auch die praktische Anwendung undenkbar. Vorzügliche Dienste leistete in der Anfangsphase die Nitrocellulose, zu Beginn der sechziger Jahre war jedoch Cellulose-2,5-acetat dominant, dem wiederum vollsynthetische Polymere überlegen sind, zumal durch chemische Modifikation das Anwendungsspektrum verbreitert werden kann. So ist z.B. Polysulfon ein geeignetes Material für die Herstellung von Ultrafiltrationsmembranen; nach Sulfonierung eignet es sich als Membranpolymer für die Hyperfiltration und, da es nunmehr negative Festionenladung trägt, auch zur Herstellung homogener Elektrodialysemembranen. Chemische Modifikation von Membranpolymeren zielt auf Verbesserung der Gebrauchseigenschaften ab, etwa hinsichtlich Rückhalt oder Volumenfluß aber auch zur Erhöhung der Hydrophilie der resultierenden Membranen, zur Verbesserung der Kompatibilität, wenn Interpolymermembranen hergestellt werden sollen oder zur Einführung von geeigneten Gruppen, die eine chemische Fixierung von Enzymen an der Membran ermöglichen.
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  MEMBRANEN IN DER BIOTECHNOLOGIE

  Strathmann, H.; Fraunhofer-Institut für Grenzflachen- und Bioverfahrenstechnik (1986)

  Membranen und Membranprozessen wird heute im Zusammenhang mit biotechnologischen Produktionsverfahren ein ganz erhebliches Interesse entgegengebracht. Obgleich die heute verfiigbaren Membranen und Membranprozesse sowohl in ihrer Funktion als auch in ihrer Anwendung sehr unterschiedlich sind, haben sie eine Reihe von Eigenschaften gemeinsam, die ihre Nutzung in der Biotechnologie besonders geeignet erscheinen läßt. Eine konsequente Nutzung von Membranen in der Biotechnologie läßt eine vereinfachte Prozeßführung und damit preisgünstigere und qualitativ bessere Produkte erwarten. Membranen können an verschiedenen Stellen in einem mikrobiologischen Produktionsprozeß eingesetzt werden. So z. B. bei der Sterilisierung der in einen Bioreaktor einzubringenden Substrate, oder bei der Aufarbeitung von Bioreaktorinhaltsstoffen. Sie können aber auch als wesentliches Element eines Sensors zur Online-Analyse von Reaktorinhaltsstoffen, oder aber auch als sogenannter Membranreaktor für eine kontinuierliche Ausschleusung der Reaktionsprodukte oder unerwünschter Nebenprodukte genutzt werden. Trotz der offensichtlich günstigen Voraussetzungen ist der Einsatz der Membranen in der Biotechnologie aus verschiedenen Gründen bisher weit hinter den Erwartungen zurückgeblieben. Einmal stellt die Stofftrennung mit Hilfe von Membranen noch eine relativ neue Technologie dar, die auch mit den entsprechenden Anfangsschwierigkeiten behaftet ist, zum anderen sind die heute kommerziell verfügbaren Membranen für ganz bestimmte Stofftrennprozesse wie z. B. für die Entsalzung von Meerwasser entwickelt worden und müssen, um erfolgreich in der Biotechnologie eingesetzt zu werden, den speziellen Problemen der Biotechnologie angepaßt werden. Im -vorliegenden Referat wird der heutige Stand der Membranentwicklung zusammenfassend dargestellt sowie Möglichkeiten und Probleme, die sich beim Einsatz der Membranen in der Biotechnologie ergeben, diskutiert.
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  PERVAPORATION, EINSATZMÖGLICHKEITEN EINES NEUEN MEMBRANVERFAHRENS IN DER BIOTECHNOLOGIE

  Bell, C. M.; Gerner, F. J.; Kimmerle, K.; Chmiel, H.; Fraunhofer-Institut fiir Grenzflachen- und Bioverfahrenstechnik (1986)

  Aufgrund der Möglichkeit, regenerierbare Rohstoffe zu verwenden, und der Verfügbarkeit von optimierten Mikroorganismen wird der biotechnologischen Produktion von Grundchemikalien die Chance eingeräumt, mit herkömmlichen Produktionsverfahren in Konkurrenz treten zu können. Gerade bei der Produktion von Grundchemikalien spielt allerdings der technischwirtschaftliche Aufwand zur Produktaufarbeitung eine entscheidende Rolle, so daß der Entwicklung von Aufarbeitungsverfahren annähernd der gleiche Stellenwert zukommt wie der Entwicklung der biotechnologischen Produktion. Hier bietet sich für die Trennung von Flüssigkeitsgemischen ein relativ neues Membranverfahren, nämlich die Pervaporation, an. Dabei kann ein homogenes Flüssigkeitsgemisch aufgrund von unterschiedlicher Sorption und Diffusion der einzelnen Komponenten in einer Membran getrennt werden. Die für den Stofftransport entscheidenden Faktoren, nämlich Diffusionskoeffizienten und Löslichkeit der Flüssigkeitskomponenten in der Membran, sind weitgehend Materialeigenschaften der Membran und lassen sich aus diesen vorhersagen, so daß mit Hilfe von verschiedenen Modellvorstellungen eine gezielte Membranentwicklung für ein bestimmtes Trennproblem möglich ist.
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  ANWENDUNG VON MEMBRANVERFAHREN BEI DER SIMULTANEN HERSTELLUNG VON MANNITOL UND GLUCONSÄURE AUS SACCHAROSE DURCH KONJUGIERTE NAD *-ABHÄNGIGE DEHYDROGENASEN

  Kulbe, Klaus D.; Schwab, Ursula; Howaldt, Michael; Kimmerle, Klaus; Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik Stuttgart (1986)

  Es wird ein Verfahren zur simultanen und kontinuierlichen Herstellung von Gluconsäure und Mannitol durch konjugierte NAD(H)-abhängige Dehydrogenasen innerhalb eines Membranreaktors beschrieben. Die Synthese löslicher polymergebundener von Glucose- und Mannitol-Dehydrogenase akzeptierter Coenzyme, sowie die Herstellung von Hohlfasermembranen, die zu ihrer Rückhaltung innerhalb des Reaktors geeignet sind, werden dargestellt. Erstmals wird eine Mannitol-Dehydrogenase mit NAD(H) -Spezifität beschrieben. Die Einsatzmöglichkeiten der Elektrodialyse zur Aufrechterhaltung des optimalen pH und als Stufe der Produktaufarbeitung werden diskutiert. Experimentelle Daten zur Reaktorperformance werden mit Modellrechnungen verglichen. Die in der Nahrungsmittelindustrie zum Einsatz kommenden enzymtechnologischen Verfahren beschränken sich bisher fast ausschließlich auf coenzymunabhängige Reaktionen (Hydrolysen, Isomerisierungen). Erst in den letzten Jahren wird versucht, insbesondere NAD (P)*-abhängige Enzyme für die Synthese von wirtschaftlich interessanten Produkten wie z.B. L-Aminosäuren oder Derivaten von Monosacchariden zu nutzen. Um mit derartigen Enzym-Coenzym-Systemen im größeren Maßstab ökonomisch arbeiten zu können, ist es erforderlich, die Coenzyme - wie auch die Enzyme - in nur katalytischen Konzentrationen einzusetzen und sie durch kontinuierliche Regeneration für eine möglichst große Zahl von Reaktionszyklen wiederverwendbar zu machen. Prinzipiell kommen enzymatische und nicht-enzymatische (chemische, elektrochemische) Verfahren fiir die Coenzymregeneration in Betracht. In der Praxis haben sich die enzymatischen Cofaktor-Regenerationssysteme am besten bewährt. Bei der Entwicklung enzymatischer Syntheseverfahren für L-Aminosäuren mittels reduktiver Transaminierung entsprechender durch chemische Synthese leicht zugänglicher Ketocarbonsäuren konnten Wandrey und Mitarbeiter /1-3/ erstmals das Prinzip der Cofaktorregeneration für einen Redoxprozeß in einem über die Laboranlage hinausgehenden Maßstab realisieren. Jedoch muß man bei diesen Prozessen in Kauf nehmen, daß die das Coenzym regenerierende Hilfsreaktion ein nicht verwendbares Produkt liefert (Abb. 1, Beispiel 1)

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