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High-throughput online monitoring techniques for bioprocesses with spore-forming bacteria = Online-Überwachungstechniken im Hochdurchsatz für Bioprozesse mit sporulierenden Bakterien
2024 & 2025
Dissertation, RWTH Aachen University, 2024
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2025
Genehmigende Fakultät
Fak01
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-11-20
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-01323
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1004264/files/1004264.pdf
Einrichtungen
- Lehr- und Forschungsgebiet Synthetische Mikrobiologie (161820)
- Fachgruppe Biologie (160000)
- Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik (416510)
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Bacillus species (frei) ; Paenibacillus polymyxa (frei) ; medium development (frei) ; online monitoring (frei) ; siderophores (frei) ; spores (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570
Kurzfassung
Die Optimierung von Kultivierungsparametern ist entscheidend für effiziente mikrobielle Prozesse. Hierbei ist der Einsatz von geschüttelten Hochdurchsatz-Kultivierungssystemen in Kombination mit Online-Messtechniken während der initialen Bioprozessentwicklung von großer Bedeutung. In dieser Arbeit wurde das Potential von Online-Messtechniken zur Bewertung des Wachstums und der Sporulation in Kultivierungen sporulierender Bakterien untersucht. Ein Schlüsselparameter für hohe Zelldichten ist ein an die Nährstoffanforderungen eines Mikroorganismus angepasstes Kultivierungsmedium. Am Beispiel eines industriellen Paenibacillus polymyxa Stammes wurde ein chemisch definiertes Medium im Mikrotiterplattenmaßstab entwickelt. Dafür wurde eine Methode, die eine systematische Vorgehensweise mit der Online-Überwachung der Atmungsaktivität kombiniert, erweitert, um Nährstofflimitierungen zu identifizieren. Nach der Verbesserung des Wachstums wurde das Medium auf die wachstumsrelevanten Komponenten reduziert. Die Kultivierung mit der finalen Medienzusammensetzung wurde in den Labor-Fermentermaßstab transferiert. Neben hohen Zelldichten ist die Charakterisierung der Sporulation relevant, um hohe Sporenkonzentrationen in Bioprozessen mit sporulierenden Bakterien zu erreichen. Jedoch sind konventionelle Methoden zur Bestimmung der Sporenkonzentration aufwendig. Daher wurden in dieser Arbeit spektroskopische Techniken zur Online-Überwachung der Sporulation von Bacillus subtilis im Komplexmedium im Mikrotiterplattenmaßstab angewendet. Eine spezifische Fluoreszenzwellenlänge wurde identifiziert, deren Intensität mit der Freilassung der Sporen aus den Mutterzellen korrelierte. Es gibt deutliche Hinweise darauf, dass Siderophore diese charakteristische Fluoreszenz verursachen. Die Anwendbarkeit der Fluoreszenzmessung zur Sporendetektion wurde mit weiteren Bacillus Spezies validiert. Die Methode wurde zur Untersuchung des Einflusses der CaCl2-Konzentration und der Sauerstoffverfügbarkeit auf die Sporulation von B. subtilis genutzt. Abschließend wurde die Übertragbarkeit der Methode auf ein chemisch definiertes Medium gezeigt. Die Ergebnisse dieser Arbeit liefern die Grundlage zur effizienten und zuverlässigen Optimierung von Bioprozessen mit sporulierenden Bakterien unter Einsatz von Online-Hochdurchsatz-Messtechniken.The optimization of cultivation parameters is crucial for efficient microbial processes. Therefore, shaken high-throughput cultivation systems combined with online monitoring techniques are required in early bioprocess development. In this thesis, the potential of online monitoring techniques to evaluate growth and sporulation in cultivations of spore-forming bacteria was investigated. A key parameter for achieving high cell densities is a tailor-made cultivation medium that complies with the specific nutrient requirements of the respective microorganism. A chemically defined medium was developed, exemplarily, for an industrial Paenibacillus polymyxa strain in microtiter plate scale. For this purpose, a method, combining a systematic experimental procedure with online monitoring of the respiration activity, was used. The method was extended to identify nutrient limitations. After improving the growth, the medium components were reduced to the growth-relevant ones. The cultivation with the final medium was transferred from the microtiter plate to the laboratory fermenter scale. In addition to high cell densities, the characterization of sporulation is relevant to achieve high spore concentrations in bioprocesses with spore-forming bacteria. However, conventional spore determination methods are laborious. Therefore, spectroscopic techniques were applied in this thesis for online monitoring of Bacillus subtilis sporulation in microtiter plate cultivations with complex medium. A specific fluorescence wavelength was identified. The intensity of this fluorescence wavelength correlated with the release of spores from the mother cells. Strong indications demonstrated that siderophores cause this characteristic fluorescence. The universality of the fluorescence measurement for spore detection was validated with other Bacillus species. In addition, the method was used to investigate the influence of the CaCl2 concentration and oxygen availability on the sporulation of B. subtilis. Finally, the applicability of the online spore detection method for a chemically defined medium was shown. The results presented in this work provide the basis for the future usage of high-throughput online measurement techniques to optimize cultivations of spore-forming bacteria in a reliable and time-efficient manner.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT030956884
Interne Identnummern
RWTH-2025-01323
Datensatz-ID: 1004264
Beteiligte Länder
Germany
