Polymer-based nutrient release system for small-scale microbial fed-batch cultivations

Aachen (2020) [Doktorarbeit]

Seite(n): 1 Online-Ressource (XVI, 146 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Kurzfassung

Mikrotiterplatten sind eine etablierte Plattform für mikrobielle Screening-Anwendungen. Üblicherweise werden Kultivierungen in Mikrotiterplatten im Batch-Verfahren durchgeführt. Im Batch-Verfahren beeinflussen jedoch Effekte wie die Katabolit-Repression, der Overflow-Stoffwechsel oder eine erhöhte osmotische Konzentration die Kultivierungen. Daher werden mikrobielle Industrieprozesse in der Regel im Fed-batch-Verfahren betrieben. Mikrotiterplatten-Experimente im Batch-Verfahren erschweren daher die Übertragung der Ergebnisse in den industriellen Produktionsmaßstab. In dieser Arbeit wurde ein polymerbasiertes Fed-Batch-System zur langsamen Freisetzung von Nährstoffen in Mikrotiterplatten etabliert. Hierbei wurden Medieneigenschaften hinsichtlich ihres Einflusses auf die Glukosefreisetzung untersucht. Der pH-Wert, die osmotische Konzentration, die Temperatur und wechselnde Stickstoffkonzentrationen beeinflussten die Glukosefreisetzungsrate. Durch Weiterentwicklungen der Polymermatrix konnten höhere Glukosefreisetzungsraten eingestellt und die Stabilität der Freisetzungsraten gegenüber Medieneinflüssen erhöht werden. Anhand biologischer Modellsysteme wurde die Funktionalität der Fed-Batch-Mikrotiterplatte veranschaulicht. Beispielsweise zeigte H. polymorpha im Fed-Batch-Betrieb eine 176-mal höhere Glukose-zu-GFP-Ausbeute als im Batch-Betrieb. Ein Screening einer Klonbibliothek im Batch- und Fed-Batch-Betrieb wurde durchgeführt. Eine Übertragung auf Rührkesselreaktor-Experimente bestätigte, dass der unter Fed-Batch-Bedingungen ausgewählte Stamm den unter Batch-Bedingungen ausgewählten Stamm hinsichtlich der Produktivität übertraf. In weiteren Untersuchungen wurde die Fed-Batch-Mikrotiterplatte für Vorkulturen von Screening-Experimenten eingesetzt. Der im Fed-Batch-Betrieb vorkultivierte Prozess führte zu einer reduzierten mittleren Standardabweichung bei einer Endproduktbestimmung und die besten Produzenten wurden verlässlicher identifiziert im Vergleich zu Prozessen mit Batch-Vorkultur. Die polymerbasierte Freisetzungstechnik wurde für die Freisetzung eines pH-aktiven Stoffes genutzt. Die notwendige Menge des pH-aktiven Stoffes, um den pH-Wert bei reduzierter Puffer-Konzentration im optimalen Wachstumsbereich zu halten, wurde durch ein Modell vorhergesagt. Infolgedessen wurde die osmotische Konzentration im Kulturmedium reduziert und war vergleichbar mit Großprozessen. Eine zusätzliche Erweiterung des Anwendungsbereichs war die Freisetzung von Ammonium während einer Mikroalgen-Kultivierung. Dies ermöglichte stickstofflimitierte Fed-Batch Kultivierungen im kleinen Maßstab, was zu einer erhöhten Lipidproduktivität im Vergleich zu herkömmlichen, zweistufigen Kultivierungsverfahren führte.

Autorinnen und Autoren

Autorinnen und Autoren

Keil, Timm

Gutachterinnen und Gutachter

Büchs, Jochen
Leonhard, Kai

Identifikationsnummern

  • REPORT NUMBER: RWTH-2020-06329

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