Biofilme für die Prozessintensivierung Biofilme für die

Projektverbund
Ressourcenschonende Biotechnologie
in Bayern
Projektpräsentation
Biofilme für die
Prozessintensivierung
Prof. Dr. Ruth Freitag (Leitung)
Prof. Dr. Andreas Greiner
Universität Bayreuth
Lehrstuhl für Bioprozesstechnik
Lehrstuhl für Makromolekulare Chemie II
Gliederung
 Hintergrund
 Arbeitshypothese
 Roadmap
 Standort
 Kohärenz
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Industrielle Biotechnologie
Einsatz von Biokatalysatoren (Enzyme, Organismen)
selektiv, spezifisch, effizient
Integration in den Prozess?
- Suspension
- Zellrückhalt (Immobilisierung)
Prozessführung, kontinuierlich (Rezyklisierung):
Natürliche Immobilisierung: als BIOFILM
(MIKROORGANISMEN
UND
EPS (EXTRAZELLULÄRE, POLYMERE SUBSTANZEN))
Biofilme, dynamische biologische Systeme
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robust, strukturiert, funktionell
 spontane Bildung und Regeneration
 Schutz der Organismen (pH, Salz,
Toxinen, Antibiotika, Temperatur
Scherstress, etc.)
 Kommunikation
 Komplexe Stoffwechselleistungen
 Konsortien
Prozesse:





bessere Raum-Zeit-Ausbeute
interessantere Stoffwechselleistungen
toleranter gegen Kontamination
höhere Prozessstabilität
vereinfachte Aufreinigung
Bildung: spontaner, mehrstufiger Prozess an Grenzschichten
Technischer Einsatz von Biofilmen, etabliert
Konsortien
Biodegradation / Bioremediation
 (industrielle) Abwasserbehandlung
 Bio-Filter für Luft und Abgase
 Reinigung / Sanierung kontaminierter
Standorte
Biogas-Erzeugung
Produktion von Essigsäure / Essig
 Bakterien-Konsortien
 bislang einziger technischer Prozess
Technischer Einsatz von Biofilmen, Potential
Rohstoffrückgewinnung
 Wertstoffen (Schwefel, Selen, Metallrefining)
 Düngemitteln (Phosphat)
Energiegewinnung
 Wasserstoff
 Strom (Mikrobielle Brennstoffzelle)
Produktion von (Fein-)chemikalien
 Biofilme als Biofertilizer/Biokontrollprodukte
 Biofilme als Schutz gegen Biokorrosion
 Antibakterielle Beschichtungen
Einsatzgebiet der „Single Species“-Biofilme
Biofilme für die Industrielle Biotechnologie?
Biofilme: ideale lebende Biokatalysatoren für
für spezifische Biotransformationen unter
kontrollierten Bedingungen
Natürliche Biofilme sind auch:







sehr dynamisch
kaum kontrollierbar
nicht standardisierbar
schlecht skalierbar
„langsam“
nicht „lagerfähig“
nicht bei allen Organismen möglich
ABER
Biokomposite – eine Materialklasse mit
vielen Möglichkeiten
Es fehlt ein universell einsetzbares,
validierbares Konzept für die
maßgeschneiderte, reproduzierbare
Erzeugung von funktionellen (Single Species)
Biofilmen in der Industriellen Biotechnologie
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Arbeitshypothese
Hypothese: Prozessangepasste, künstliche
Biofilme können wesentlich zur Intensivierung
industrieller biotechnologischer Prozesse
beitragen.
Teilprojekt „Biofilme für die
Prozessintensivierung“ der Universität
Bayreuth im Projektverbund
Ressourcenschonende Biotechnologie in
Bayern
Andreas Greiner, Lehrstuhl für
Makromolekulare Chemie II
ZIEL: ENTWICKLUNG VON BIOKOMPOSITEN AUS SYNTHETISCHEN POLYMEREN UND
MIKROORGANISMEN
Biokomposite – eine Materialklasse mit
vielen Möglichkeiten
Die Kombination aus einer synthetischen Polymermatrix und
Bakterien erlaubt die:
 Kontrollierte, sichere, sortenreine Immobilisierung von
Bakterien/Mikroorganismen
 Nutzung einer großen Zahl von Materialien mit kontrollierten/kontrollierbaren
Eigenschaften
 Schutz der Organismen bei Verarbeitung/Einsatz unter wenig biokompatiblen
Bedingungen
 Deutlich verbesserte Lagerfähigkeit
Und damit: neue Anwendungen, schnelleren Einsatz,
Validierbarkeit, Sicherheit durch die kontrollierte Ausbildung und
Nutzung von Biofilmen.
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Roadmap
AP 1: Konzept künstlicher Biofilm
•
•
•
•
Nitrobacter winogradskyi / Konsortien
Materialien (Hydrogele, Beschichtung)
Herstellung Vliese und Gewebe
Stabilität / Lagerung
AP 2: mikrobielle Brennstoffzelle (Energie)
•
•
•
•
Organismen
Matrixfunktionalisierung
Einsatz
Maßstabsvergrößerung
AP 3: Biosynthese
•
•
Definition Mikroorganismen
Prozess
Mitarbeiter: Patrick Kaiser (BPT) und Steffen Reich (MCII)
Der Weg zum Biokomposit
PPX
Elektrospinnen
Bakterienkultur
Herstellung Bakterien/
PVA Dispersion
Beschichten
mit PPX
Nassspinnen
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Stand, Fasern
 Hydrogel-Fasern: Durchmesser ca. 0,1 mm
 Hydrogel-Vliese: Durchmesser ca. 0,001 mm
 Schichtdicke des PPX je nach Reaktionszeit zwischen 1-5 µm
Hydrogel-Fasern auf Träger
Hydrogel-Vlies, Elektrogesponnen, SEM 2000x
Hydrogel-Faser, SEM 900x
Hydrogel-Faser, Elektrogesponnen, SEM 7340x
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Stand, Fasern
Die Bakterien überstehen den
Prozess gut und sind auch nach
längerer Kultivierung noch vital
(Knierim et al., Macromolecular Bioscience 2015)
und
metabolisch aktiv:
y
z
x
Draufsicht auf Hydrogel-Faser
mit oneidensis
S. oneidensis Bakterien;
MR1, LSM 200x
Mikrofasern
mit Shewanella
grün: lebend, rot: tot
Abbau von Nitrit (blau) mit Hilfe
von Biokompositen mit Nitrobacter
winogradskyi Bakterien (grün)
 Erfolgreiche Erzeugung eines Biokomposits für den Umweltbereich
Stand, Vliese
Anreicherung von Gold-“Mikronuggets“
aus wässriger Lösung durch Micrococcus luteus Bakterien
 24 Stunden: über 95 % des Goldes
sequestriert
(Gensheimer et al., Macromolecular Bioscience 2011)
 Goldpartikel sind am und im Bakterium
zu finden
Agarplatte mit Bakterienkolonien nach
Verkapselung
Elektrogesponnenes Vlies
 Erfolgreiche Sequestrierung von Gold durch immobilisierte M. luteus
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Energie
Mikrobielle Brennstoffzellen (MBZ) erzeugen elektrischen Strom, wenn eine
mikrobiell katalysierte Freisetzung von Elektronen auf der Anodenseite
stattfindet:
Last
e-
oxidiertes Medium
Sauerstoff
CO2
Kathode
Anode
Biologische
Zelle
Abläufe im Biofilm
½ O2
e-
Biokat.
2 H+
H+
Wasser
H2O
organisches
Nährmedium
(modifiziert nach Sievers et al., 2010)
2 e-
Chemische
Zelle
Membran
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Energie
 Vliese mit Shewanella
oneidensis Bakterien,
grün: lebend, rot: tot (a)
 Bakterien wachsen aus
dem Vlies heraus (b)
 Abbau von Milchsäure mit Hilfe von
Shewanella oneidensis-Vliesen
(blau); zum Vergleich: Vlies ohne
Bakterien (grün)
 Einsatz in der mikrobiellen Brennstoffzelle???
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 Stromdichte beim KontrollKomposit liegt bei 0,19 µA/cm²
 Höchste Stromdichte bei
S.oneidensis-Kompositen liegt
nach ca. 127 h bei 9,4 µA/cm²
Stromdichte (µA/cm2)
Energie
10,0
8,0
6,0
4,0
2,0
0,0
0
0,05
 elektr. Leistung beim KontrollKomposit liegt bei 0,043 mW/m2
 elektr. Leistung bei S.oneidensisKompositen liegt nach ca. 127 h
bei 2,7 mW/m2
el. Leistung (mW/m²)
0h
0.5h
0,1
Potential (V)
4.25h
71.4h
0,15
0,2
126.5h
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
0,0
2,0
0h
4,0
6,0
8,0
Stromdichte (µA/cm2)
0.5h
4.25h
71.4h
10,0
126.5h
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Vom Labor in den technischen Maßstab
Künstliche Biofilme
Kohärenz
Energietechnik
Recycling
Chem. Synthese
Vernetzung
Künstlicher Biofilm
Verwendung von Bio-
Verwendung von Zellkata-
polymere (AG TUM)
lysatoren (AG TUM)
Metallrückgewinnung
Projektverbund
Ressourcenschonende Biotechnologie
in Bayern
Vielen Dank für Ihre
Aufmerksamkeit !!!