Bitte benutzen Sie diese Referenz, um auf diese Ressource zu verweisen: doi:10.22028/D291-22365
Titel: Simulationsgestützte, systematische Entwicklung biotechnologischer Prozesse mit begleitender Evaluierung
Sonstige Titel: Simulation supported and systematic development of biotechnological processes with concomitant evaluation
Verfasser: Abdul Kholiq, Muhammad
Sprache: Deutsch
Erscheinungsjahr: 2007
SWD-Schlagwörter: Biotechnologie
Simulation
Modellierung
Entwicklung
Evaluation
Freie Schlagwörter: Evaluierung
Bioprozesse
modelling
simulation
evaluation
development
bioprocesses
DDC-Sachgruppe: 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
Dokumentart : Dissertation
Kurzfassung: Biotechnologische Produktionsprozesse versprechen Verbesserungen hinsichtlich der Nachhaltigkeit. Man kann aber nicht a priori davon ausgehen, dass ein Bioprozess immer nachhaltiger als ein chemischer Alternativprozess ist. Es bleibt in jedem Einzelfall zu prüfen, welche Prozessvariante nachhaltiger ist. Eine Evaluierung von Prozessen hinsichtlich der Nachhaltigkeitsaspekte muss bereits in frühen Entwicklungsphasen durchgeführt werden. Eine Prozessentwicklung wird in eine zyklische Vorgehensweise bestehend aus Prozesssynthese und -analyse durchgeführt. Dadurch besteht die Möglichkeit, Lösungsvarianten systematisch zu erzeugen, durch Analyse frühzeitig zu beurteilen und gegebenenfalls über Abbruch oder Fortsetzung der Entwicklung zu entscheiden. Prozesssynthese ist der konzeptionelle Entwurf möglicher Prozessalternativen. Durch die so genannte strukturbasierte Synthese werden Prozessalternativen generiert. Über die so genannte modulbasierte Modellierung können Modelle von Prozessvarianten einfach erstellt werden. Dabei besteht ein Prozessmodell aus miteinander verknüpften Modulen, die sowohl Grundoperationen als auch eine typische Gruppe von Bioprozessschritten repräsentieren können. Basierend auf Simulationsergebnissen werden die Prozessalternativen nach Nachhaltigkeitskriterien evaluiert. Ausgehend von bestehenden Evaluierungsmethoden wurde eine modifizierte Methode für Screeningzwecke aussichtsreicher Prozessalternativen und für Optimierungszwecken in frühen Entwicklungsphasen entwickelt. In dieser Arbeit werden die prozentuellen Anteile von Kostenkomponenten zur Ermittlung von Optimierungspotentialen angewendet, während in Literatur die so genannten Ökonomischen Potentialen (EPi) als Screeningkriterien in jeder Entwicklungsstufe und die so genannten Ökonomischen Indices (CI) vorgeschlagen wurden. Die Abschätzung der Betriebs- und Investitionskosten in einem frühen Planungsstadium ist sehr wichtig. Die ökologische Bewertungsmethode basiert auf der Stoffstrombilanz und Stoffeigenschaften. Über eine ABC-Klassifizierung in allen Wirkungskategorien wird der Umweltfaktor einzelner Stoffe (EFi) ermittelt, der ein Maß für die vom Stoff ausgehende Umweltbelastung darstellt. Mit dem Faktor werden die aus der Stoffstrombilanz abgeleiteten Massenindices (kg/kg Produkt) gewichtet und eine Reihe von Indices berechnet, die das Umweltgefährdungspotential einzelner Stoffe bzw. des gesamten Prozesses angeben. Die begleitende Evaluierung soll zu einer Prozessverbesserung führen. Dies soll auch für die sozialen Aspekten der Nachhaltigkeit gelten. In dieser Arbeit wurden soziale Kriterien bzw. Indikatoren aus bestehenden sozialen Bewertungsmethoden identifiziert, die einen direkten Bezug zu Prozess- und Stoffdaten haben. Im Rahmen dieser Arbeit wurden drei Fallbeispiele erarbeitet. Beim ersten Fallbeispiel handelt es sich um zwei Produktionssysteme von Humanem Serumalbumin (HSA) in Gerste und in Pichia pastoris. Die größten Optimierungspotentiale der Gerste-Prozessmodelle liegen bei einer Reduzierung des Wasserverbrauchs. Lösungsstrategien, z.B. durch Anreicherung über Trockenfraktionierungen oder Erhöhung des HSA-Gehalts mittels gentechnischer Methoden, werden deshalb empfohlen. Beim zweiten Fallbeispiel geht es um ein Verfahren zur Biosynthese von chiralen Alkoholen über die asymmetrische Reduktion von prochiralen Ketonen mit Lactobacillus kefir als Ganzzellbiokatalysator in einem zweiphasigen System (ionische Flüssigkeit/Phosphatpuffer). Die verwendete ionische Flüssigkeit ist [BMIM][Tf2N]. Im jetzigen Kenntnisstand lassen sich nur teure Produkte (teurer als 200 $/kg) gewinnbringend produzieren. Der Verbrauch an [BMIM][Tf2N] soll minimiert werden. Ökologisch gesehen ist ein Verzicht auf ökonomisch wenig bedeutsames Hexan z.B. durch direkte Destillation wünschenswert. Das dritte Fallbeispiel betrachtet die biokatalytische Epoxidierung von Styrol zu (S)-Styroloxid mittels E. coli als Ganzzellbiokatalysator. Als organische Phase wird Bis(2-ethylhexyl)phthalat (BEHP) eingesetzt. Dabei werden drei Prozessvariante der biokatalytischen Epoxidierung und ein chemischer Produktionsprozess modelliert, bewertet und miteinander verglichen. Der chemische Prozess zeichnet sich durch eine niedrige Investition aus. Bei den Bioprozessen verursacht BEHP das größte Gefährdungspotential. Grundsätzlich sollte nach Alternative zu BEHP gesucht werden. Aufgrund der bisher erreichten Extraktionsleistung ist noch keine integrierte Produktisolierung mittels Pertraktion möglich. Bei der Anwendung der Technologie mit Einsatz von superkritischem CO2 ist das zusätzliche Umweltbelastungspotential durch den Verlust an CO2 nicht signifikant. In Rahmen dieser Arbeit wurde außerdem folgende Beiträge zur Entwicklung einer Software für Bioprozessentwicklung geleistet: Modulerstellung für die Aufarbeitungsprozesse, Formulierung eines Assistentenkonzepts zur Synthese von Aufarbeitungsprozessen und Implementierung der ökologischen Bewertungsmethode.
Biotechnological processes promise improvements concerning sustainability. It is too simplistic to see biotechnological processes as inherently clean or sustainable. It has to be proved, which process alternative is more sustainable. A process evaluation concerning the sustainability aspects has to be carried out at the early phases of a process development. The cyclic procedure of process design consists of process synthesis and assessment. Using this principle, process alternatives are generated systematically and then assessed at the right time. If necessary, a decision about stop or continuation of the process development has to be made. Process synthesis is the conceptual generation of possible process alternatives. The so called structure-based synthesis is proposed. Process alternatives are generated by mean of a common structure of bioprocesses. Potential process alternatives are then transformed into process models using the so called module-based process modeling. Here, a process model consists of a series of modules connected with each other, which can represent a single unit operation as well as a group of typical bioprocess steps. Based on simulation results the process alternatives are then evaluated. Starting from existing evaluation methods a new method with screening as well as optimization characteristics was developed. In this work the percentages of cost components are used to determine the optimization potentials, whereas the so called economic potentials (EPi) the so called economic indices (CI) are proposed in literature. The prediction of the operation costs and investment is very important in early development stages. For the evaluation of bioprocesses in very early development phases an ecological assessment method was developed. The assessment method bases on the material balance of the process and compound properties. Based on the compound properties the so called Environmental Factor of each compound (EFi) is derived using an ABC-classification in all impact categories for the input and output sides. The EFi is a measure of the environmental relevance of the compound. From the material balance the so called Mass Indices (kg/kg product) are determined and weighed with the corresponding EFi and a set of indices are calculated. These indices show the potential environmental burdens of each component as well as of the whole process. The evaluation should improve the process performance. This should be relevant for the evaluation of the social aspects of the sustainability. In this work some social criteria or indicators are identified, which have a direct relationship with process and material data. The described methods are used in three case studies. In the first case study two production systems of Human Serum Albumin (HSA) in barley und in Pichia pastoris are modeled and assessed. The main optimization potential in the barley process is related to the high water consumption. Solution strategies have to be developed, e.g. enrichment of the HSA content by dry fractionation or by genetic engineering. The second case study describes a process for biosynthesis of chiral alcohols from the corresponding prochiral ketone via asymmetric reduction using Lactobacillus kefir as whole cell biocatalyst in a two-phase system (ionic liquid /phosphate buffer). The used ionic liquid is [BMIM][Tf2N]. Due to its high cost the loss of the ionic liquid has to be minimized. From ecological point of view, the use of hexane has to be avoided, e.g. by changing the strategy in the down stream processing without previous extraction. The third case study deals with the biocatalysis emulsion process for the production of (S)-styrene oxide from styrene using E. coli as whole cell biocatalyst. Bis(2-ethylhexyl)phthalate (BEHP) is used as organic phase. Three process variants of the biocatalytic epoxidation and a chemical process were modeled, evaluated and compared with each other. The chemical process shows the advantage in lower investment costs. In the bioprocesses BEHP causes the largest potential environmental burden. In principle, an alternative of BEHP should be searched. Due to the low extraction rate, an integrated product recovery using pertraction is not possible yet. In the case of separation with supercritical CO2, there is no significant loss of CO2 and therefore no significant addition of the potential environmental burdens due to CO2. In this work, following contributions to the development of a commercial software tool for bioprocess development were accomplished: Generation of modules for the downstream processing, formulation of an assistant concept for the synthesis of downstream processing, and modification as well as implementation of the ecological evaluation method.
Link zu diesem Datensatz: urn:nbn:de:bsz:291-scidok-10789
hdl:20.500.11880/22421
http://dx.doi.org/10.22028/D291-22365
Erstgutachter: Heinzle, Elmar
Tag der mündlichen Prüfung: 14-Mär-2007
SciDok-Publikation: 22-Mär-2007
Fakultät: Fakultät 8 - Naturwissenschaftlich-Technische Fakultät III
Fachrichtung: NT - Chemie
Fakultät / Institution:NT - Naturwissenschaftlich- Technische Fakultät

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