Enzymatische Konversion von Chitin aus Krabbenschalen und Insektenexoskeletten

Chitin ist ein ubiquitäres natürliches Strukturpolysaccharid und besitzt aufgrund der hohen Verfügbarkeit ein großes Potenzial als natürlicher Rohstoff. Als nichtlösliches Polymer ist das Einsatzgebiet jedoch stark eingeschränkt. Für viele Anwendungen in Lösung wird das kleinere, teilacetylierte Analogon Chitosan benötigt. Üblicherweise wird Chitosan mittels eines chemischen Prozesses unter Nutzung starker Säuren und Basen aus Chitin hergestellt.

Chitinolytische Enzyme aus Mikroorganismen

Die Arbeitsgruppe »Industrielle Biotechnologie« setzt zur Herstellung von Chitosan, Chitooligomeren oder N-Acetylglucosamin aus Chitin auf den Einsatz von Biokatalysatoren. Die chitinolytischen Enzyme enstammen Mikroorganismen, nach denen spezifisch in chitinreichen Habitaten gescreent wurde. Neben einzelnen können auch simultan mehrere Chitinasen, nicht-chitinolytische Enzyme (Lipasen, Proteasen,…) oder Enzymcocktails eingesetzt werden.

Integration in skalierbaren verfahrenstechnischen Prozess

Um die Enzyme möglichst effizient einzusetzen, werden Aktivitäts- und Stabilitätsuntersuchungen bei verschiedenen pH-Werten und Temperaturen durchgeführt. Zur Optimierung der biologischen Komponente wird die enzymatische Aktivität in einen kontrollier- und skalierbaren verfahrenstechnischen Prozess eingebettet. So kann z. B. durch Anwendung von Immobilisaten die bei chitinolytischen Enzymen nicht unübliche Produktinhibition vermieden werden. Zudem ist der Biokatalysator damit auch in mehreren Zyklen einsetzbar. Eine maßgebliche Anforderung ist die Möglichkeit, den Prozess auch später im Technikums- und Pilotmaßstab anwenden zu können. Verfahrenstechnische Untersuchungen werden zusätzlich durchgeführt, um den Prozess auch in größere Maßstäbe zu transferieren. Die Arbeitsgruppe »Industrielle Biotechnologie« entwickelt den Scale-up mithilfe dimensionsloser Kennzahlen, sodass Kinetiken und Ausbeuten enzymatischer oder mikrobieller Prozesse 1:1 in den nächstgrößeren Maßstab übertragen werden können.

Aufreinigung und Modifizierung

Neben geeigneten Aufreinigungsstrategien bieten wir Interessenten die Entwicklung eines biokatalytischen Prozesses zur Modifikation und Hydrolyse von Naturstoffen an. Das zu entwickelnde Verfahren kann gezielt auf den Einsatz in einem späteren kommerziellen, großskaligen Prozess ausgerichtet werden. Nach Bedarf können kommerziell erhältliche oder eigens isolierte Mikroorganismen oder Enzyme eingesetzt werden. Unsere Arbeitsgruppe besitzt das nötige Know-how, um nach spezifischen Mikroorganismen zu screenen und die für eine bestimmte Reaktion relevanten Enzyme auch zu identifizieren.

• Screening und rekombinante Expression von chitinolytischen Enzymen wie Chitinasen oder Chitindeacetylasen
  
• Untersuchung neuer Chitinquellen zur Synthese von Chitosan, N-Acetyl-Glucosamin und Glucosamin
• Verfahrensentwicklung und Scale-up

Vainshtein, Y., Werner, N., Kirstahler, P., Glanz, K., Grumaz, C., Hahn, T., Zibek, S., Sohn, K. 2020. Draft Genome Sequence of Andreprevotia sp. Strain IGB-42, a Chitinolytic Bacterium Isolated from a Soil Sample of an Anthill in Stuttgart, Germany. in: Microbiology Resource Announcements, Vol. 9, pp. e01454-19. DOI: 10.1128/mra.01454-19