B caldolyticus - Beuth Hochschule
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Verwertung von Abfällen aus der Lebensmittelindustrie für die Gewinnung von Industrieenzymen M. Siewek, Dipl.-Ing. T. Jamrath Prof.Dr. Dr.M.K. M. Popović, Prof. Popovic, Dr. (AnaKat GmbH) GmbH) Dr. U. U. Bernhardt Bernhard (Anakat Einleitung Einleitung Ergebnisse Ergebnisse Der weltweite € €mitmit einer weltweite Umsatz Umsatz an anEnzymen Enzymenbeträgt beträgtca.ca.4 4Mrd. Mrd. einer jährlichen jährlichen Wachstumsrate Wachstumsrate von von 5-10 5-10 %.%.Enzyme Enzymewerden werdenin inderder Waschmittelindustrie (32%) Prozesse (20(20 %)%) undund beibei derder Waschmittelindustrie(32%), (32%),für fürtechnische technische Prozesse Herstellung Futtermitteln (11%) eingesetzt. Herstellung von vonLebensmitteln Lebensmitteln(33%) (33%)und und Futtermitteln (11%) eingesetzt. D Der H tk t f kt bei bbei i der dderGewinnung GGewinnung i von I dIndustrieenzymen Industrieenzymen ti d durch durch h Der Hauptkostenfaktor Hauptkostenfaktor von Mikroorganismen beibei derder Fermentation. DieDie Mikroorganismen sind sinddie dieMedienbestandteile Medienbestandteile Fermentation. Fermentationskosten zu senken ist also eine erstrebenswerte Fermentationskosten zu senken ist also eine erstrebenswerte M ß h Maßnahme, um die di Wirtschaftlichkeit Wi t h ftli hk it der d Prozesse P zu erhöhen. höh [1] Maßnahme, um die Wirtschaftlichkeit der Prozesse zu erhöhen. [1] Dies es kann a durch du c d die e Verwendung e e du g von o bes bestimmten e Abfällen b ä e de der Dies kann durch die Verwendung von bestimmten Abfällen der Lebensmittelindustrie als Zusätze zum Anzuchtmedium anstelle von Lebensmittelindustrie als Zusätze zum Anzuchtmedium anstelle von h kö herkömmlichen, li h weitaus it preisintensiveren i i t i M di Medienzusätzen ät erreicht i ht herkömmlichen, weitaus preisintensiveren Medienzusätzen werden. Dazu wurde das thermophile p Bakterium Bacillus caldolyticus, y erreicht , werden. das Dazu wurde dasinteressante, thermophilehydrolytische Bakterium Bacillus caldolyticus, welches wirtschaftlich Enzym Į-Amylase welchesund dasverschiedene wirtschaftlich interessante, α-Amylase bildet Abfälle aus hydrolytische StärkefabrikenEnzym zur Anzucht bildet und verschiedene aus Stärkefabriken zur Anzucht verwendet. verwendet. Diese AbfälleAbfälle zeichnen sich durch einen hohen Anteil an Diese Abfälle zeichnen wie sich z.B. durch essentiellen einen hohenAminosäuren Anteil an wichtigen wichtigen Nährstoffen, und Nährstoffen, wie z.B. Spurenelementen ausessentiellen Aminosäuren und Spurenelementen aus. aus. Die Abfälle, Abfälle, die die bei bei der derVerarbeitung Verarbeitung vonKartoffeln Kartoffeln Stärkefabriken g von in in Stärkefabriken entstehen, und und die die als als Medienzusätze Medienzusätzein inFrage Fragekommen, kommen, sind entstehen, sind dasdas Kartoffelfruchtwasser(~der (~derKartoffelsaft), Kartoffelsaft),diedie Kartoffelpülpe (~die Faser) Kartoffelfruchtwasser Kartoffelsaft) Kartoffelpülpe (~die Faser) und die derder Kartoffelpülpe). die so so genannte genannteStärkemilch Stärkemilch(~Waschwasser (~Waschwasser Kartoffelpülpe). Folgende führten Folgende g Nährstoffkombinationen Nährstoffkombinationen führtenzuzueinem einemBakterienwachstum: Bakterienwachstum: Kartoffelpülpe (5g(5g /100mL) Kartoffelpülpe /100mL) Kartoffelpülpe /100mL) + Pepton ausCasein Casein(2(2g/L) g/L) Kartoffelpülpe (5g(5g /100mL) + Pepton aus Kartoffelpülpe /100mL) + Stärke g/L) Kartoffelpülpe (5g(5g /100mL) + Stärke (1(1g/L) Kartoffelpülpe /100mL) + Salzlösung Kartoffelpülpe (5g(5g /100mL) + Salzlösung Abb.Abb. 1: 1: S hSchematische Schematische ti h Darstellung Darstellung der der Stärkeproduktion Stärkeproduktion (Verändert (Verändert nachnach Kempf, Kempf, 19801980 [2]) [2]) 1,8 1,8 18 1,6 1,6 , KPKP aa KPKP bb KPKP +CAS +CASa a +CASb b KPKP +CAS +Stärkea a KPKP +Stärke +Stärkeb b KPKP +Stärke +Salz KPKP +Salz aa +Salz KPKP +Salz bb OD 600 6 nm OD 600 nm 1,4 1,4 1,2 1,2 1 1 08 0,8 0,8 0,6 0,6 0,4 0,4 0 0 2 2 4 4 6 8 6 8 Zeit [h] Zeit [h] 10 10 NährstoffNährstoffKombination Kombination BakterienBakterienWachstum Wachstum NährstoffNährstoffKombination Kombination BakterienBakterienWachstum Wachstum NährstoffNährstoffKombination Kombination BakterienBakterienWachstum Wachstum KFW KFW (Kartoffelfrucht(Kartoffelfruchtwasser) wasser) -- KFW frisch 30% + + KFW frisch 30% Nutrient Broth 70% Nutrient Broth 70% - - KFWKFW (BIO) 5%5% (BIO) + + KFW frisch (nur KFW frisch (nur gefiltert) gefiltert) KFW 50 % KFW 50 % - - - Nutrient + KFW Nutrient + KFW ++ ++ KFW + Pepton aus KFW + Pepton aus Casein Casein KFW + Zulk. Stärke KFW + Zulk. Stärke 1g/L 1g/L KFW + Roh KFW + Roh10 g/l Kart.Stärke Kart.Stärke 10 g/l KFW + Kartoffelpülpe (KP) KFW + Kartoffelpülpe (KP) - KP 50 g/L pur KP 50 g/L pur +++ - KFW (BIO) 20 % KFW (BIO) 20 % KP + Pepton aus Casein 2g/LKP + Pepton aus Casein 2g/L KP + Zulk.Stärke 1 g/LKP + Zulk.Stärke 1 g/L KP + Salzlösung (Konzentration wie STM) KP + Salzlösung (Konzentration wie STM) +++ - KFW 1xautokl. 30% + KFW 1xautokl. 30% + Nutrient Broth 70% Nutrient Broth 70% KFW (geschält) KFW (geschält) Frisch Frisch KFW (geschält) KFW (geschält) autoklaviert autoklaviert KFW (geschält) KFW (geschält) +Nutrient Broth +Nutrient Broth KFW (BIO) 100 % KFW (BIO) 100 % - - - - ++ ++ + + Tab. 1: 1: Bakterienwachstum Bakterienwachstumauf aufunterschiedlichen unterschiedlichen Medien Tab. Medien (KFW––Kartoffelfruchtwasser, KP – Kartoffelpülpe) (KFW KKartoffelfruchtwasser, t ff lf ht KP – Kartoffelpülpe) K t ff l ül ) +++ +++ 120 100 120 80 100 60 80 40 60 E Enzymau usbeute in i Prozen nt [%] Enzymausbeute in Prozent [%] Vergleich der maximalen Enzymausbeuten Mit den den Abfallprodukten Abfallprodukten aus aus der derStärkefabrik Stärkefabrikwurden wurdenverschiedene verschiedene Nährstoffkombinationen zunächst zunächstdarauf daraufgetestet, getestet,obobB. caldolyticus Nährstoffkombinationen getestet B B. caldolyticus diese das heißt, ob ob diedie Bakterien diese Nährstoffe Nährstoffe überhaupt überhauptverwerten verwertenkann, kann, das heißt, Bakterien sich sich in in einer einerFermentation Fermentationdarauf daraufvermehren. vermehren. 12 WieWie ausaus Tabelle Tabelle1 1ersichtlich ersichtlicherfolgte erfolgte g mit mit dem dem Medienzusatz Medienzusatz KartoffelKartoffelfruchtwasser kein bisbis eineinsehr fruchtwasser kein sehrgeringes geringesWachstum Wachstum (bei (bei Bio-Kartoffeln) Bio-Kartoffeln) von von B. caldolyticus, wohingegen sich Kartoffelpülpe B caldolyticus, B. caldolyticus wohingegen sich Kartoffelpülpeals alsvielversprechend vielversprechend erwies. erwies erwies. WieWie in Abbildung 2g ersichtlich erfolgte in Abbildung 2 ersichtlich erfolgte g das dasbeste besteWachstum Wachstumauf auf Kartoffelpülpe Kartoffelpülpe mit mit dem Zusatz Casiton und der dem Zusatz Casiton und derSalzkombination. Salzkombination.Aufgrund Aufgrund der der erheblichen erheblichen Kosten (ca.(ca. €/kg) Kosten (ca150150 €/kg)ististCasiton Casitonals alsungeeigneter, ungeeigneter weil ungeeigneter, weil unökonomischer unökonomischer Zusatz einzustufen. Eine Beigabe von Salzen Zusatz einzustufen. Eine Beigabe von Salzenzur zurKartoffelpülpe Kartoffelpülpestellt stellt hingegen hingegen eineeine sehr kostengünstige Alternative dar. sehr kostengünstige Alternative dar. In Folgeversuchen wurden In Folgeversuchen wurdendiedieverwertbaren verwertbarenNährstoffkombinationen Nährstoffkombinationen darauf untersucht, ob B. auf dieser Grundlage das Enzym α-Amylase bildet. untersucht, obcaldolyticus B. caldolyticus auf dieser Grundlage das Enzym Į-Amylase bildet. Vergleich der maximalen Enzymausbeuten Methoden Methoden 12 Abb. Abb 2: Abb. 2: Wachstum Wachstum von von B. B.caldolyticus caldolyticus auf aufunterschiedlichen Medien basierend auf unterschiedlichen Medien basierend Kartoffelpülpe auf Kartoffelpülpe 20 0 Abb. 3: Bildung von α-Amylase Abb Abb. 3: Bildung von Į-Amylase Į Amylase durch B. caldolyticus durch B. caldolyticus (STM – Standardmedium – Standardmedium KP –(STM Kartoffelpülpe) KP – Kartoffelpülpe) p p ) 40 20 0 STM KP KP +Salz STM KP KP +Salz Nährstoffkombinationen Nährstoffkombinationen Bei einer Fermentation von B. caldolyticus auf Kartoffelpülpe (KP) mit Bei einer Fermentation von B. caldolyticus y auf Kartoffelpülpe p p ((KP)) mit Salzzusatz werden verglichen mit dem Standardmedium (STM) fast 80 % der Salzzusatz werden verglichen mit dem Standardmedium (STM) fast 80 % der Menge an α-Amylase produziert und dies bei einer Kostenersparnis bezüglich Menge an Į-Amylase Į Amylase produziert und dies bei einer Kostenersparnis bezüglich der Medien von über 95 % (Standardmedium 1 €/L, KP+Salze 0,05 €/L). Die der Medien von über 95 % ((Standardmedium 1 €/L, KP+Salze 0,05 €/L). ) Die tatsächlichen Kosten für 1000 Einheiten (Units) an α-Amylase belaufen sich tatsächlichen Kosten für 1000 Einheiten (Units) an Į-Amylase belaufen sich damit mitmit dem Standardmedium damit dem Standardmediumauf auf0,24 0 24€ €, ,bei 0,24 beiVerwendung Verwendung von von KartoffelKartoffel Kartoffelpülpe mit mit Salzzusatz aufauf 0,01 €. €. pülpe Salzzusatz 0,01 +++ +++ +++ +++ Optimierungsvorschläge Optimierungsvorschläge ZielZiel derder nachfolgenden Versuche nachfolgenden Versucheististes, es bei es, beimöglichst möglichst geringem geringem Einsatz Einsatz an wachstumsfördernden Zusatzstoffen, die wachstumsfördernden Zusatzstoffen, dieEnzymausbeute Enzymausbeuteweiter weiter zu zu erhöhen. erhöhen. Interessant wäre auch Interessant wäre auchdiedieUntersuchung Untersuchunganderer anderer Abfälle Abfälle auf auf Eignung Eignung als Medienzusatz Medienzusatz, zB z.B. Maisquellwasser Maisquellwasser. Medienzusatz, wiewie z.B. Maisquellwasser. Literatur: [1] Fachtagung „Weiße Biotechnologie – Ökonomische und ökologische Chancen“; 2006; Herausgeber: Dubbert, W. (Umweltbundesamt); Heine, T. (Deutsche Industrievereinigung Biotechnologie), [2] Kempf, W. (1980): Beitrag zur mechanischen Entwässerung von Kartoffelpülpe. starch/stärke 32 (1), S. 14-20, VCH Verlagsgesellschaft, Germany
