Tools accelerating the development of unconventional bioprocesses

• Werkzeuge zur beschleunigten Entwicklung unkonventioneller Bioprozesse

Geinitz, Bertram Michael; Büchs, Jochen (Thesis advisor); Agler-Rosenbaum, Miriam (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2023)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023

Kurzfassung

Unkonventionelle mikrobielle Systeme wie Kokulturen oder gasverwertende Biokatalysatoren bergen ein großes Potenzial für die Umwandlung von Reststoffen oder komplexen Substraten zu hochwertigen Produkten. In dieser Arbeit werden daher drei Techniken für die Kultivierung und Prozessüberwachung entwickelt, da diese unkonventionellen Systeme neue Verfahren erfordern. Für die Charakterisierung und Optimierung von Kokulturprozessen sind kontinuierliche Daten der individuellen Biomassekonzentrationen notwendig. Bisher werden vorwiegend Offline-Methoden mit zeitlich geringer Auflösung zur Bestimmung der Biomassezusammensetzung eingesetzt. Daher wurde ein Online-Messverfahren für Mikrotiterplattenkultivierungen entwickelt. Mittels partial least squares-Regression nicht-invasiv gemessener Streulichtspektren konnten die individuellen Biomassekonzentrationen bestimmt werden. Das Potenzial der Technik wurde an einer Kokultur aus Lactococcus lactis und Kluyveromyces marxianus demonstriert. Die Ergebnisse wurden mittels im Coulter counter-Partikelzähler gemessenen Kultivierungsproben validiert und belegen, dass die individuellen Biomassekonzentrationen mit der Methode im Detail verfolgt werden können. Um die Charakterisierung von Kokulturen auch ohne aufwändiges Equipment und Spezialwissen zu ermöglichen, wurde eine Mikrotiterplatte für die räumlich getrennte Kokultivierung entworfen. Mikrofiltrationskanäle in der Bodenplatte erlauben dabei den Metabolitaustausch zwischen zwei Wells. In abiotischen Experimenten wurde der Stoffaustausch charakterisiert und mit modellierten Kokultivierungen verglichen. Es wurde gezeigt, dass sich bei der Kokultivierung in der Link-Plate die Prozesszeit deutlich verlängert und folglich der Metabolitaustausch zwischen den verbundenen Wells erhöht werden muss. Die biogene Nutzung von Methan aus Abfallströmen oder nachwachsenden Rohstoffen kann den CO2-Abdruck von Produktionsprozessen reduzieren. Gasverwertende Bakterien werden jedoch häufig in Serumflaschen charakterisiert, was zu einer sich ständig ändernden Verfügbarkeit von gasförmigen Substraten führt. Da so Gasverbrauchs und -produktionsraten unbekannt sind, ist der Erkenntnisgewinn limitiert. Daher wurde Methylococcus capsulatus in begasten Schüttelkolben bei gleichzeitiger Messung der Atmungsaktivität kultiviert. Die Methan- und Sauerstoffkonzentration für die Durchspülung der Schüttelkolben wurde berechnet, sodass keine Explosionsgefahr besteht und gleichzeitig so viel Substrat wie möglich zugeführt wird. Es konnte gezeigt werden, dass hierdurch die Charakterisierung von methanotrophen Mikroorganismen deutlich unterstützt wird.

Einrichtungen

• Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik [416510]