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prot P.S.I. – protein Pressure Specific Activity Impact

prot P.S.I. ist eine unternehmerisch geführte Forschungs- und Entwicklungsallianz im Rahmen des Förderprogramms „Innovationsinitiative industrielle Biotechnologie“.

Das übergeordnete Ziel der strategischen Innovationsallianz prot P.S.I. ist, die industrielle Biotechnologie und somit eine Biologisierung in der Feinchemie durch branchenübergreifende Nutzbarmachung des Prozessparameters „Druck“ voranzutreiben.

Hierzu haben sich die Allianzpartner durch koordinierte Zusammenarbeit entlang einer Wertschöpfungskette zur Aufgabe gesetzt, die kritische Stabilitätsgrenze von Proteinen und somit ihre Reaktivität bei (hohem) Druck zu identifizieren und für verfahrenstechnische Prozesse, primär im Bereich der industriellen Feinchemie, nutzbar zu machen. Durch die gewonnenen Erkenntnisse soll eine Steigerung von Prozess-Effizienzen erreicht werden, welche branchenübergreifend auch in anderen Bereichen der industriellen Bioprozesstechnologie und biokatalytischen Produktionsverfahren Anwendung finden kann.

Wirtschaftliche Bedeutung der angestrebten Innovation

Klima- und Ressourcenschonung sowie die Wettbewerbsfähigkeit der industriellen Biotechnologie sind in hohem Maße davon abhängig, dass innovative Technologien industriell angewendet werden. Durch den Zusammenschluss und die koordinierte Zusammenarbeit aller an prot P.S.I. beteiligten Partner soll die Implementierung des Prozessparameters Druck in der industriellen Biotechnologie beschleunigt werden. Diese Allianz setzt durch Nutzung der technologischen Breite der verschiedenen Anwendungsfelder sowie durch das Überschreiten interdisziplinärer Grenzen im Bereich der industriellen Biotechnologie neue Innovationsimpulse, welche langfristig in die Forschungsausrichtung und Investitionstätigkeiten der beteiligten Unternehmen ausstrahlen.

Projektbereich A:
Proteinstrukturanalyse

Projektbereich B:
Prozessanalytik und -führung

Projektbereich C:
Prozessentwicklung und -implementierung

Die neuesten, extrem starken Anlagen für Synchrotron und freier Elektronen Laser Strahlung, realisiert in Hamburg durch PETRA III und X-FEL, erlauben völlig neue Experimente in Bezug auf Größe der Proben und Zeitskala möglicher Analysen. Die geplante Hochdruckzelle wird an die Spezifikationen hochintensiver Synchrotronstrahlung optimal angepasst werden. Da solch ein Instrument derzeitig nicht existiert, hat diese Entwicklung ein großes kommerzielles Potenzial für geplante Anlagen weltweit. Die Anwendung von Modeling-Techniken in der industriellen Biotechnologie, speziell basierend auf strukturbasierenden Daten, bietet ein großes Potenzial. Virtuelles Screening und strukturbasiertes Design beispielsweise, gehören zwar zum Standard-Repertoire in der roten Biotechnologie, werden in anderen biotechnologischen Bereichen aber wenig genutzt. Eine Effektivitätssteigerung im biotechnologischen Prozess um wenige Prozentpunkte, realisiert mittels kostengünstiger Computerberechnungen, kann sehr leicht Millionen einsparen.

Durch die Anwendung von optisch basierter online und inline-Analytik in Herstellungsprozessen kann auf Grund der optimierten und jederzeit inline überwachten Bedingungen der Reaktor ressourcenschonend hinsichtlich Einsatz von Mikroorganismen und Enzymen, aber auch hinsichtlich Energie und Laufzeit betrieben werden kann. Der Einsatz von fluoreszenz-optischen Sensoren erlaubt einen einzigartigen Informationstransport von Sensorantworten auf Reaktionsparameter via Lichtsignalen „durch die Wand“ ohne Kabelverbindung in den Reaktor und elektrische Potenziale. In einem weiteren technologischen Schritt ermöglicht die Entwicklung einer intelligenten minimalen Probenentnahme im Mikromaßstab gekoppelt mit einem μFID (Mikro-Flammenionisationsdetektor) die online-Probenahme aus einem Hochdruckreaktor ohne Auflösung der Hochdruckbedingungen. Derartige Probenentnahmesysteme für Hochdruckreaktoren sind für die Industrie von großem Interesse, da sie ermöglichen, Prozesse kontrolliert durchzuführen. Dies hat direkte Auswirkungen auf die Produktionskosten bei gleichzeitiger Optimierung der Qualität (z.B. höhere Reinheit durch möglichst vollständigen Umsatz von Edukten). Es wird eine neue technologische Plattform für chemische und biokatalytische Oxidationsreaktionen mit einem begasungsgeregelten und Scherkräfte-minimierten Druckreaktor entwickelt werden.

Durch die Etablierung von biokatalytischen Reaktionssequenzen zur Synthese von Sialyllactose und Derivaten unter Hochdruck kann durch erhöhte Ausbeuten ein wirtschaftlich interessanter Zugang zu Oligosacchariden eröffnet werden. Parallel dazu werden Hybridprozesse, d.h. Integration von biokatalytischen Reaktion und Aufarbeitung (Kristallisation) unter Hochdruck, zur Bildung verschiedener Morphologien von CaCO3 entwickelt werden. Da biotechnologische Verfahren oft sehr komplexe und instationäre Prozesse darstellen, ist deren Entwicklung und Optimierung nur bedingt durch experimentelle Ansätze realisierbar. Deshalb können modellbasierte Strategien helfen industrielle Prozesse und Verfahren wirtschaftlicher und nachhaltiger zu gestalten.

BioproDruck

Das Projekt „BioproDruck“ ergänzt den Projektbereich C „Prozessentwicklung und -implementierung“. Ziel dieses Teilprojektes ist es, die Übertragbarkeit der kontinuierlichen Hochdrucksynthese auf verschiedene Enzymklassen und organische Phasen Technologiefeld-orientiert zu evaluieren und umzusetzen. Die Ergebnisse sollen anschließend zur systematischen Untersuchung des Druckeinflusses verwendet werden, um eine Identifizierung enzymklassenspezifischer Charakteristika des Druckeinflusses auf Enzyme, wie die Thermostabilitäts-, Aktivitäts- und Enantioselektivitätsveränderung, zu erhalten. Es werden bekannte und etablierte Biokatalysatoren verwendet werden, deren Einsatz eine industrielle Bedeutung hat.

Unsere Projektpartner

 
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News

prot P.S.I. Projekttreffen Februar 2020

Projekttreffen der Allianz prot P.S.I.
Mittwoch 26. Februar 2020,
Harburger Schloßstr. 6-12, 21079 Hamburg

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Danksagung

Dieses Forschungsprojekt wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der „Innovationsinitiative Industrielle Biotechnologie“ unter dem Förderkennzeichen 031B0405A gefördert und vom Projektträger Jülich betreut. Das Konsortium dankt dem BMBF für die Förderung und damit die Möglichkeit der Durchführung dieses innovativen Projektes. Zudem möchten wir uns beim Projektträger Jülich für die bisherige gute Zusammenarbeit bedanken.