Feststofffermentation von Ligno- cellulose-Reststoffen mittels Weiß- fäulepilzen in einem Bioreaktor mit modularem Design Susanne Frömmel*, Ulrike Böhmer, Thomas Bley, Matthias Müller, Katrin Frankenfeld und Peter Miethe Weißfäulepilze produzieren verschiedene extrazelluläre Enzyme, die für ein großes Einsatz- gebiet geeignet sind. Eine Fermentation im Feststoffreaktor ist eine geeignete Kultivie- rungsmethode, die dem natürlichen Habitat der Weißfäulepilze entspricht. Im vorgestellten Feststoffreaktor konnten die Weißfäulepilze Trametes hirsuta und Bjerkandera adusta erfolg- reich auf einem Gemisch aus Kieferhackschnitzeln und Orangenschalen unter Zusatz von Kupfersulfat und 2,5-Dimethylanilin kultiviert und gute Enzymausbeuten erzielt werden. Es wurde gezeigt, dass die Feststofffermentation für die Gewinnung großer Enzymmengen unter Einsatz von kostengünstigem Substrat geeignet ist. Schlagwörter: Cellulasen, extrazelluläre Enzyme, Feststofffermentation, Laccasen, Weißfäulepilze Eingegangen: 15. März 2010; revidiert: 21. Mai 2010; akzeptiert: 21. Mai 2010 1 Problemstellung Unter dem Begriff Feststofffermentation wer- den alle Fermentationen zusammengefasst, bei denen ein mikrobielles Wachstum auf fes- tem Substrat ohne freies Wasser stattfindet. In der Biotechnologie wird die Feststofffermenta- tion zunehmend zur Herstellung von Nah- rungsmitteln, Medikamenten und Enzymen verwendet [1]. Von besonderem Interesse ist dabei die Kultivierung von Weißfäulepilzen. Sie besitzen ein unspezifisches Enzymsystem, mit dessen Hilfe sie in der Natur lignin- und cellulosehaltige Substanzen, aber auch struk- turell ähnliche Xenobiotika, abbauen können. Durch diese Fähigkeit eröffnet sich ein breites Spektrum an Anwendungsmöglichkeiten für diese Enzyme. Sie werden zur Klärung, Entfär- bung und Detoxifikation von Abwässern aus der Textil- und Zellstoffindustrie, zur Bodensa- nierung und zur Bioremediation [2–10], sowie zur Delignifikation, Biopulping und Bioblea- ching in der Faserstoff- und Faserplattenindus- trie, in der Zellstoff- und Papierindustrie und bei der Holzbearbeitung verwendet. Sie kön- nen ebenfalls zur Erschließung unzugängli- cher Kohlenhydrate aus einjährigen Pflanzen und zur Aufarbeitung von Viehfutter verwen- det werden [11 – 17]. Der Einsatz in Biogasan- lagen und in der Ethanolproduktion für einen besseren Aufschluss des Gärmaterials ist mög- lich [18, 19]. Eine kostengünstige großtechni- sche Gewinnung dieser Enzyme ist deshalb von großem Interesse. Ziel dieser Arbeit war es daher, hohe Enzym- ausbeuten und ein gutes Mizellwachstum unter Nutzung der Feststoffkultivierung zu er- zielen. Zum Vergleich des Potenzials der Fest- stofffermentation wurden auch Versuche in Flüssigfermentation unter ähnlichen Bedin- gungen wiederholt und miteinander ver- glichen. 2 Messprinzip und Versuchs- aufbau 2.1 Feststofffermentation Die Feststofffermentationen wurden mit den Weißfäulepilzen Trametes hirsuta und Bjerkan- dera adusta bei 28 °C auf Kieferhackschnitzeln, Orangenschalen und einem Gemisch beider Komponenten unter Verwendung verschiede- ner Zusätze, wie Kupfersulfat und 2,5-Dime- thylanilin, zur Erhöhung der Enzymaktivität durchgeführt. Der Feststoffreaktor (Abb. 1) wurde vom Forschungszentrum für Medizin- technik und Biotechnologie (fzmb GmbH) entwickelt. Ein Aufsprühen verschiedener Flüssigkeiten, wie Wasser zur Befeuchtung und zum Abwaschen der extrazellulären En- zyme und Nährlösung (Kirk II-Medium) auf das Substrat, eine Durchmischung durch Dre- Unter dem Begriff Feststofffermen- tation werden alle Fermentationen zu- sammengefasst, bei denen ein mikro- bielles Wachstum auf festem Substrat ohne freies Wasser stattfindet. Feststofffermentation 1191 Chemie Ingenieur Technik Chemie Ingenieur Technik 2010, 82, No. 8 © 2010 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim www.cit-journal.de DOI: 10.1002/cite.201000047