Online monitoring-based methodologies to assess microaerobic 2,3-Butanediol production

Heyman, Benedikt; Büchs, Jochen (Thesis advisor); Prüße, Ulf (Thesis advisor)

Aachen (2019, 2020)
Doktorarbeit

Kurzfassung

Die biotechnologische Produktion von Plattformchemikalien aus erneuerbaren Ressourcen trägt dazu bei, den Verbrauch fossiler Rohstoffe in der chemischen Industrie zu senken. Häufig werden reduzierte Plattformchemikalien wie 2,3-Butandiol in mikroaeroben Prozessen hergestellt. Bei diesen sauerstofflimitierten Kultivierungen muss die Sauerstoffverfügbarkeit präzise eingestellt werden, um die gewünschte Stoffwechselaktivität zu erreichen. In dieser Arbeit wurde die 2,3-Butandiolproduktion mit Bacillus licheniformis als Modell-Bioprozess verwendet, um basierend auf Online-Prozessüberwachungstechnologien Methoden zur Beurteilung und Optimierung mikroaerober Kultivierungen zu entwickeln. Durch die Anwendung eines definierten zweistufigen Kultivierungsprofils und eines neuen Ansatzes zur Bestimmung der maximalen 2,3-Butandiolkonzentration wurde eine einfache und zuverlässige Methode zur Bestimmung der optimalen Sauerstoffverfügbarkeit entwickelt. Ein genereller Nachteil bei der Entwicklung von mikroaeroben Kultivierungen ist die begrenzte Verfügbarkeit von Online-Prozessüberwachungstechnologien zur Bestimmung der Stoffwechselaktivität in Abhängigkeit von der Sauerstoffverfügbarkeit. Daher wurden Online-Messungen des Respiratorischen Quotienten mit stöchiometrischen Analysen kombiniert, um die metabolische Aktivität in verschiedenen Kultivierungsphasen zu entschlüsseln. Darüber hinaus wurde die Messung des Redoxpotentials zur Bestimmung sehr geringer Gelöstsauerstoffkonzentrationen (DOT) eingesetzt. Der Einfluss von DOT, pH-Wert und Medienkomponenten auf das Redoxpotential wurde in abiotischen Experimenten charakterisiert und quantifiziert. Durch entsprechende Korrektur des Redoxpotentials können geringe Änderungen der DOT während der Kultivierung auch bei schwankenden pH-Werten isoliert gemessen werden. Die entwickelten Methoden sind auf andere Mikroorganismen übertragbar und steigern den Informationsgewinn durch Online-Prozessüberwachung bei mikroaeroben Kultivierungen. Der Respiratorische Quotient und das Redoxpotential liefern detaillierte und komplementäre Informationen über die Stoffwechselaktivität. Zusammen mit dem Konzept zur Untersuchung der Sauerstoffverfügbarkeit trägt dies entscheidend zur Entwicklung verbesserter mikroaerober Kultivierungsprozesse für die Herstellung verschiedener biobasierter Produkte bei.

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