Modellgestützte Entwicklung eines Prozesses für die mikrobielle Hydrolyse von Propionitril zu Ammoniumpropionat

Abstract

Die Zielsetzung dieser Arbeit bestand in der Entwicklung der Grundlagen für einen Prozeß zur mikrobiellen Hydrolyse von Propionitril zu Ammoniumpropionat. Zu Beginn der Arbeit wurde der verwendete Mikroorganismus auf seine Gattungszugehörigkeit hin untersucht und als Patentstamm Rhodococcus erythropolis DSM 13002 bei der DSMZ hinterlegt. Zur Bereitstellung einer geeigneten Menge an homogener Biomasse wurde der Stamm in einem Maßstab von 70 l im Bioreaktor kultiviert. In weiteren Untersuchungen erfolgte dann eine Optimierung des Wachstumsmediums. Die Untersuchung der nitrilverseifenden Eigenschaften ergab, daß in dem untersuchten Stamm ein Zwei-Enzym-System aus einer eisenabhängigen Nitrilhydratase und einer Amidase vorlag. Diese wurden auf ihre biochemischen Eigenschaften im Ganzzellsystem hin untersucht. Durch Immobilisierung der Zellen konnte die Toleranz des Biokatalysators gegenüber dem Substrat Propionitril deutlich verbessert und bei einer absatzweisen Prozeßführung Nitrilkonzentrationen bis über 1 M umgesetzt werden. Bei der Untersuchung des Einflusses der Immobilisierung auf die Aktivität wurde eine moderate innere und äußere Stofftransportlimitierung bestimmt. Der Biokatalysator wurde als Immobilisat in absatzweiser Prozeßführung mit konstanter Substratzugabe (Fed-batch), im kontinuierlichen Rührreaktor sowie im Festbett eingesetzt. Dabei konnten im Fed-batch Prozeß Produktkonzentrationen von bis zu 3 M Ammoniumpropionat erhalten werden. In dieser Arbeit wurde ein Reaktionsmodell für das Zwei-Enzym-System erstellt. Anschließend wurden sämtliche Modellparameter über Anfangsreaktionsraten und mittels dynamischer Simulation in Verbindung mit nichtlinearer Regression bestimmt. Eine Anwendbarkeit der reaktionskinetischen Ansätze unter dynamischen Bedingungen wurde anhand eines Fed-batch-Prozesses überprüft und eine gute Übereinstimmung der simulierten Konzentrationsverläufe mit den Meßdaten ermittelt.

The object of this dissertation was the development of the principles for a process for the microbial hydrolysis of propionitrile to ammonium-propionate. In a first step the used microorganism was researched in terms of its taxonomic affiliation and submitted as patent strain Rhodococcus erythropolis DSM 13002 to the DSMZ. For the preparation of a suitable quantity of homogeneous biomass, the strain was cultivated in a scale up to 70 l in the bioreactor. In further investigations also an optimization of the growth medium was carried out. The investigation towards the nitrile-hydrolysing properties of the strain showed a two-enzyme system consisting of a iron-dependent nitrile-hydratase and a amidase. Further on, the enzyme-system was examined towards its biochemical characteristics using resting cells in a whole-cell system. By immobilizing the cells the tolerance of the biocatalyst towards the substrate propionitrile could be improved and nitrile concentrations up to 1 M be converted into ammonium-propionate. By examinating the influence of the immobilization on the activity of the biocatalyst a moderate internal and external mass-transfer limitation was determined. The biocatalyst was used in immobilized form in processes with constant substrate feed (Fed batch), in the continuous agitating reactor as well as in the fixed bed reactor. Thus product concentrations of up to 3 M ammonium-propionate could be achieved in the Fed batch process. In this dissertation a mathematical reaction model for the two-enzyme system was developed. Subsequently, all model parameters were determined using reaction rates as well as dynamic simulation together with nonlinear regression. The implementability of the reaction-kinetics under dynamic conditions was verified using real datas. On the basis of the reaction course of a Fed batch process a good consistence of the simulated concentration course with the measured data was determined.