Advancing bioprocess development for filamentous fungi

Rohr, Katja; Wiechert, Wolfgang; Schwaneberg, Ulrich; Oldiges, Marco

doi:10.18154/RWTH-2025-04925

Advancing bioprocess development for filamentous fungi = Fortschritte in der Bioprozessentwicklung für filamentöse Pilze

Rohr, Katja^RWTH*

2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Master of Science (M. Sc.) Katja Rohr

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Oldiges, Marco (Thesis advisor)^RWTH* ; Schwaneberg, Ulrich (Thesis advisor)^RWTH* ; Wiechert, Wolfgang (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-05-23

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-04925
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1012223/files/1012223.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
automated microscopy (frei) ; filamentous fungi (frei) ; laboratory automation (frei) ; microbioreactor (frei) ; small-scale cultivation (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Die Biotechnologie hat Industriezweige wie Biopharmazeutika, Tierfutter und Ernährung vorangebracht, indem sie sich die Fähigkeit von Mikroorganismen zunutze macht, wichtige Produkte herzustellen. Filamentöse Pilze haben sich dabei aufgrund ihrer bemerkenswerten Kapazität, Enzyme wie Cellulasen und Phytasen zu produzieren, als unentbehrlich erwiesen. Die Entwicklung von Bioprozessen für diese Pilze wird jedoch durch ihre komplexe Morphologie und deren Einfluss auf die Produktivität erschwert, was die Stammauswahl und Prozessoptimierung ineffizient und zeitaufwändig macht. Darüber hinaus reproduzieren konventionelle Kultivierungsmethoden im kleinen Maßstab oft nicht die Bedingungen im industriellen Maßstab. Die vorliegende Arbeit adressiert diese Limitierungen durch die Weiterentwicklung von Kultivierungstechniken im kleinen Maßstab mithilfe von Mikrobioreaktorsystemen, integrierter Laborautomation und automatisierter Mikroskopie. Diese Methodik wurde speziell für die industriell relevanten Pilzarten Trichoderma reesei, Aspergillus niger und Thermothelomyces thermophilus entwickelt. Zunächst wurden Kultivierungsstrategien für T. reesei in Mikrobioreaktoren optimiert, wobei die Bedingungen im kleinen Maßstab eng an die industriellen Bedingungen angelehnt wurden. Anschließend konnte durch die Automatisierung von Arbeitsabläufen die Effizienz und der Durchsatz bei der Kultivierung von A. niger deutlich gesteigert werden. Zudem zeigte eine detaillierte Analyse der durch automatisierte Mikroskopie gewonnenen Bilder von T. thermophilus spezifische morphologische Merkmale, die mit einer erhöhten Enzymproduktion einhergehen. Diese Ergebnisse tragen zu einem besseren Verständnis der Beziehung zwischen der Morphologie und Produktivität von Pilzen bei. Die in dieser Arbeit vorgestellten Methoden und Ergebnisse beschleunigen die Entwicklung von Bioprozessen mit Pilzen erheblich, da sie sowohl den zeitlichen als auch den manuellen Arbeitsaufwand reduzieren. Insgesamt bietet dieses Konzept einen effizienteren Ansatz zur Optimierung von Pilz-Bioprozessen, was letztendlich die industrielle Enzymproduktion vorantreibt und einen Beitrag zum gesamten Bereich der industriellen Biotechnologie leistet.

Biotechnology has advanced industrial sectors such as bio-pharmaceuticals, animal feed and nutrition by harnessing the power of microorganisms to produce essential compounds. Among these microbial producers, filamentous fungi have proven indispensable due to their remarkable capacity for enzyme production. Important examples of enzymes produced by filamentous fungi are cellulases, which are used in bioethanol production and textile processing, and phytases, which increase the bioavailability of phosphorous in animal feed. However, bioprocess development for filamentous fungi is hampered by their complex morphology and its significant impact on productivity, making strain selection and process optimization inefficient and time-consuming. Conventional small-scale cultivation approaches often fail to replicate large-scale industrial process conditions, further complicating bioprocess development for filamentous fungi. This work addresses these limitations by advancing small-scale cultivation techniques through the use of high-throughput microbioreactor systems, integrated laboratory automation and automated microscopy. Specifically, the methodology was developed for Trichoderma reesei, Aspergillus niger and Thermothelomyces thermophilus due to their industrial relevance and distinct morphological characteristics. First, microbioreactor cultivation strategies were optimized for T. reesei, closely aligning small-scale conditions with industrial environments. Subsequently, automated workflows significantly improved the efficiency and throughput of A. niger cultivation. Furthermore, a detailed analysis of images of T. thermophilus obtained by automated microscopy revealed specific morphological features associated with enhanced enzyme production. These results contribute to a deeper understanding of the relationship between fungal morphology and productivity. The methods and results presented in this thesis greatly accelerate fungal bioprocess development by reducing both the time and manual effort required. Overall, this framework provides a more efficient approach to optimizing fungal bioprocesses, ultimately advancing industrial enzyme production and contributing to the broader field of industrial biotechnology.

OpenAccess:
PDF
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