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Online monitoring-based methodologies to assess microaerobic 2,3-Butanediol production = Methoden zur Evaluierung der microaeroben 2,3-Butandiol Produktion basierend auf Online-Prozessüberwachungstechnologien
2019 & 2020
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2019
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2020
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-12-13
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-03421
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/785690/files/785690.pdf
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
2,3-Butanediol (frei) ; maximum oxygen transfer capacity (frei) ; microaerobic (frei) ; redox potential (frei) ; respiratory quotient (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
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.Biotechnological production of platform chemicals from renewable carbon sources is a promising measure to decrease the consumption of fossil resources in the chemical industry and the fuel sector. Reduced platform chemicals like 2,3-butanediol are often produced in microaerobic cultivation processes. Under these oxygen-limited conditions, the precise adjustment of the oxygen availability is crucial to obtain the desired metabolic activity. In this thesis, 2,3-butanediol production with Bacillus licheniformis was used as model bioprocess to develop online monitoring-based methodologies to assess microaerobic cultivations. A fast and reliable shake flask methodology is presented to determine the optimum oxygen availability. Comparable results and well-characterized experimental conditions were obtained by application of a defined two-stage cultivation profile and a novel technique to determine the maximum 2,3-butanediol concentration. As the obtained results are applicable to stirred tank reactor cultivations, the product and by-product spectrum can be optimized at reduced effort and costs. Still, a drawback for microaerobic process development is the limited availability of online monitoring techniques to determine the metabolic activity with respect to oxygen availability. Therefore, online monitoring of the respiratory quotient was combined with stoichiometric analyses to reveal the metabolic activity during distinct cultivation phases. Furthermore, monitoring of the redox potential was used to monitor the dissolved oxygen tension (DOT) at trace levels that cannot be resolved with conventional DOT probes. The influence of DOT, pH and media components on the redox potential was characterized and quantified in abiotic experiments. On this basis, a corrected redox potential is obtained that solely reflects changes of the DOT, even if the pH strongly fluctuates during the cultivation. Overall, the developed methodologies are transferable to other microorganisms or products and increase the information content from online monitoring during microaerobic cultivations. Respiratory quotient and redox potential provide detailed and complementary information on the metabolic activity during microaerobic cultivations. Together with the presented approach to investigate the effects of oxygen availability, this contributes to the development of improved microaerobic cultivation processes for the production of diverse bio-based compounds.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT020403170
Interne Identnummern
RWTH-2020-03421
Datensatz-ID: 785690
Beteiligte Länder
Germany
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