Maximierte Ausbeute an Itaconsäure: Integration des LAMBDA MINIFOR Bioreaktors mit bipolarer Membranelektrodialyse für höchste Produktivität

Arten der Gattung Aspergillus sind typische Vertreter filamentöser Pilze, die durch ihre einzigartige Morphologie gekennzeichnet sind – lange, fadenförmige Zellen, sogenannte Hyphen. Diese Hyphen verflechten sich zu einem Netzwerk, dem Myzel, das eine entscheidende Rolle für das Überleben dieser Pilze in unterschiedlichen Umgebungen spielt und die Produktion wertvoller Fermentationsprodukte wie Itaconsäure (IA) ermöglicht.

Itaconsäure hat sich als wichtiger Bestandteil in verschiedenen industriellen Anwendungen etabliert, unter anderem als Vernetzer in der Herstellung von synthetischem Latex und als Monomer für ungesättigte Polyesterharze. Obwohl die Produktion von IA durch Fermentation von Aspergillus terreus wirtschaftlich vorteilhaft ist, entstehen dabei große Mengen an Biomasse und Abwasser. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, forschen Wissenschaftler an Methoden zur Steigerung der IA-Produktion bei gleichzeitiger Abfallminimierung.

Forschende der Forschungsgruppe für Bioverfahrenstechnik, Membrantechnologie und Energetik an der Universität Pannonien in Ungarn verfolgten das Ziel, die IA-Produktion durch kontinuierliche Fermentation mithilfe des LAMBDA MINIFOR Tischbioreaktors zu optimieren. Das aus der Fermentationsbrühe gewonnene IA-haltige Effluent wurde mittels bipolarer Membranelektrodialyse (EDBM) gereinigt. Das dabei entstehende Diluat wurde anschließend wieder dem Bioreaktor zugeführt, sodass die kontinuierliche Fermentation über 547 Stunden aufrechterhalten werden konnte.

Die kontinuierliche Fermentation wurde im LAMBDA MINIFOR Bioreaktor mit einem effektiven Volumen von 1.8 Litern bei einer Betriebstemperatur von 37 °C durchgeführt. Der erforderliche gelöste Sauerstoffgehalt wurde durch die Zugabe von reinem Sauerstoffgas bei 0.2 vvm erreicht.

Abb. 1: Das Auf-und-Ab-Rührwerk des LAMBDA MINIFOR Fermenters erzeugt optimale Aspergillus terreus-Aggregate für die Itaconsäureproduktion

Der LAMBDA MINIFOR Fermenter-Bioreaktor spielte eine entscheidende Rolle bei der Steigerung der Itaconsäureproduktion. Die Morphologie von Aspergillus terreus erwies sich dabei als äußerst bedeutsam: Es zeigte sich, dass Klumpen oder lose Pellets des Myzels mit einem Durchmesser von 0.4–0.5 mm optimal für die Säureproduktion waren. Zudem konnte bestätigt werden, dass das Auf-und-Ab Rührwerk des LAMBDA MINIFOR eine effektive Durchmischung gewährleistete, ohne die für die Produktion notwendige Myzelstruktur zu beeinträchtigen.

Referenz: Hülber-Beyer, Éva, Nemestóthy, N., & Bélafi-Bakó, K. (2024). Case Study of Continuous Itaconic Acid Fermentation by Aspergillus terreus in a Bench-Scale Bioreactor. Hungarian Journal of Industry and Chemistry, 51(2), 57–63. doi.org/10.33927/hjic-2023-19

LAMBDA MINIFOR Fermenter-Bioreaktor für die Fermentation filamentöser Pilze

Neben der reinen Produktionserhöhung zeigte sich, dass die spezielle, biomimetische Fischschwanz-Auf-und-Ab-Rührtechnik des LAMBDA MINIFOR eine schonende und gleichzeitig effektive Durchmischung ermöglichte. Dies unterstützte die Bildung der für die Itaconsäureproduktion idealen Myzelstruktur von Aspergillus terreus, ohne das Wachstum der Pilze zu beeinträchtigen.

Abb. 2: Darstellung der Morphologie von Aspergillus terreus sowie grafische Übersicht der Sauerstoffaufnahme-Rate (OUR), Glukose- und Itaconsäurekonzentrationen im Fermenter

Referenz: Hülber-Beyer, Éva, Nemestóthy, N., & Bélafi-Bakó, K. (2024).

Fermentationsprozess und Ergebnisse

Nach 96 Stunden startete der kontinuierliche Betrieb des Fermenters, der über einen Zeitraum von 23 Tagen (547 Stunden) aufrechterhalten wurde. Das Effluent wurde über eine bis zum Boden reichende Erntekanüle abgeleitet. Die höhenverstellbaren Kanülen des LAMBDA MINIFOR erleichterten das Nachfüllen des Mediums und hielten dabei stets einen Abstand von mehr als 5 cm zur Kulturflüssigkeitsoberfläche ein. Die Verdünnungsrate lag bei 0.007 h⁻¹.

Die Kombination aus dem LAMBDA MINIFOR Bioreaktor und der EDBM-Technologie führte zu beeindruckenden Ergebnissen: Während der 16-tägigen IA-Produktionsphase wurde eine maximale Produktkonzentration von 35 g·L⁻¹ erreicht – ein Wert, der bisherige kontinuierliche Fermentationen übertraf.

Der Bioreaktor stellte optimale Wachstumsbedingungen für Aspergillus terreus sicher, während kontrollierte Sauerstoffzufuhr und schonende Durchmischung die Bildung der für hohe IA-Erträge erforderlichen Pilzklumpen förderten. Die EDBM-Prozessstufe ermöglichte eine effiziente Rückgewinnung der Itaconsäure und eine Wiederverwendung des Diluats, wodurch Abfall reduziert und die Nachhaltigkeit des Prozesses verbessert wurde.

Anwendungsbereiche des LAMBDA MINIFOR Fermenter-Bioreaktors bei filamentösen Pilzen

Der LAMBDA MINIFOR Fermenter-Bioreaktor eignet sich hervorragend für eine Vielzahl von Forschungsanwendungen im Bereich filamentöser Pilze, darunter:

• Enzymproduktion: Herstellung von Cellulasen, Proteasen und Amylasen für die Lebensmittel-, Futtermittel- und Biokraftstoffindustrie.
• Biosynthese organischer Säuren: Produktion von Zitronensäure, Itaconsäure und anderen wichtigen Industrieprodukten.
• Herstellung sekundärer Metaboliten: Biosynthese bedeutender Stoffwechselprodukte wie Antibiotika (z.B. Penicillin, Lovastatin).
• Bioremediation: Abbau toxischer Substanzen durch filamentöse Pilze im Rahmen von Umweltsanierungsmaßnahmen.

Weitere Details zum LAMBDA MINIFOR Fermenter-Bioreaktor finden Sie auf: www.fermentador-bioreactor.com/features/ und entdecken Sie die Innovationen des LAMBDA MINIFOR unter: www.lambda-instruments.com/fermenter-bioreactor/innovations-of-minifor-fermentor-bioreactor/

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