Online monitoring and scale-up of filamentous co-cultures

Brauneck, Gesa; Magnus, Jørgen Barsett; Agler-Rosenbaum, Miriam

doi:HT031511011

Online monitoring and scale-up of filamentous co-cultures = Online-Überwachung und Hochskalierung filamentöser Co-Kulturen

Brauneck, Gesa^RWTH*

2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Gesa Brauneck

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2026

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2026

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Magnus, Jørgen Barsett (Thesis advisor)^RWTH* ; Agler-Rosenbaum, Miriam (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2026-04-10

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-05750
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1036960/files/1036960.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik (416510)

Projekte

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Fluoreszenz (frei) ; Hochskalierung (frei) ; Methodenentwicklung (frei) ; Online-Überwachung (frei) ; computational fluid dynamics (CFD) (frei) ; filamentous microorganisms (frei) ; filamentöse Mikroorganismen (frei) ; fluorescence (frei) ; method development (frei) ; microbial co-cultures (frei) ; mikrobielle Co-Kulturen (frei) ; numerische Strömungssimulation (frei) ; online monitoring (frei) ; scale-up (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Der biotechnologische Einsatz von Mikroorganismen ist schon lange etabliert und ermöglicht die Herstellung wichtiger Produkte, zum Beispiel für die Lebensmittel- und Pharmaindustrie. Angesichts des steigenden Bedarfs an neuen Wirkstoffen, beispielsweise Antibiotika, rückt die Entwicklung alternativer Kultivierungsstrategien zunehmend in den Fokus. Eine vielversprechende Strategie ist die gemeinsame Kultivierung von Mikroorganismen in Co-Kulturen, da Interaktionen zwischen unterschiedlichen Mikroorganismen die Bildung neuer Produkte triggern können, die in axenischen Kulturen nicht entstehen. In dieser Dissertation wurden die Co-Kulturen des filamentösen Pilzes Trichoderma reesei mit verschiedenen, ebenfalls filamentösen Streptomyces-Spezies untersucht, die für ihre Fähigkeit zur Bildung zahlreicher Sekundärmetabolite bekannt sind. Durch die Einbeziehung vieler unterschiedlicher Streptomyces-Spezies konnte eine Plattform für die systematische Untersuchung von Co-Kulturen mit Trichoderma reesei entwickelt werden. Eine besondere Herausforderung bei Co-Kulturen besteht in der mikroorganismusspezifischen und zeitaufgelösten Überwachung, da etablierte Methoden meist nur Mischsignale liefern. Daher wurde eine fluoreszenzbasierte Methode entwickelt, die eine differenzierte Überwachung ermöglicht. Durch deren Anwendung konnten Prozessparameter, insbesondere das Inokulationsverhältnis, festgelegt werden, die ein stabiles Wachstum beider Mikroorganismen in Co-Kultur gewährleisten. Anschließend wurden die etablierten Co-Kulturen in einen 2 L-Rührkesselreaktor hochskaliert. Da filamentöse Mikroorganismen eine komplexe Morphologie aufweisen, die die Prozessleistung entscheidend beeinflusst, wurde angestrebt, diese während der Hochskalierung konstant zu halten. Hierfür wurde der hydromechanische Stress als Skalierungsparameter herangezogen, der über die Energiedissipationsrate quantifiziert wird. Während in der Literatur überwiegend Mittelwerte verwendet werden, zeigte sich deren Eignung für filamentöse Mikroorganismen als unzureichend. Strömungssimulationen lieferten einen neuen Skalierungsparameter, der zunächst für die Hochskalierung der Streptomyces-Spezies und anschließend für die Co-Kulturen erfolgreich angewandt wurde. Dabei blieb die charakteristische Morphologie, disperses Wachstum bei Trichoderma reesei und Pellets bei Streptomyces-Spezies, über die Skalen hinweg erhalten. Insgesamt leistet diese Arbeit einen wesentlichen Beitrag zur Erforschung filamentöser Co-Kulturen. Mit der Entwicklung einer Methode für die differenzierte und zeitaufgelöste Überwachung sowie der Etablierung eines neuartigen Skalierungsparameters werden entscheidende Herausforderungen adressiert und systematische Ansätze für die biotechnologische Nutzung filamentöser Mikroorganismen geschaffen.

The biotechnological use of microorganisms has long been established and provides important products, for example, in the food and pharmaceutical industries. In view of the increasing demand for new active substances, such as antibiotics, the development of alternative cultivation strategies is gaining increasing attention. A promising strategy is co-cultures of microorganisms, as interactions between different microorganisms can trigger the formation of new products that do not occur in axenic cultures. In this dissertation, the co-cultures of the filamentous fungus Trichoderma reesei with various, also filamentous Streptomyces species, which are known for their ability to produce numerous secondary metabolites, were investigated. By including many different Streptomyces species, a platform for the systematic study of co-cultures with Trichoderma reesei could be developed. A particular challenge in the use of co-cultures is microorganism-specific and time-resolved monitoring, as established methods usually only provide mixed signals. Therefore, a fluorescence-based method was developed that enables differentiated monitoring. By applying this method, process parameters, particularly the inoculation ratio, can be determined to ensure stable growth of both microorganisms in co-culture. Subsequently, the established co-cultures were scaled-up in a 2 L stirred-tank reactor. As filamentous microorganisms exhibit a complex morphology that critically influences process performance, it was aimed to maintain this morphology constant during the scale-up. For this purpose, hydromechanical stress was used as a scale-up parameter, which was quantified via the energy dissipation rate. While in the literature mostly average values are used, their suitability for filamentous microorganisms proved insufficient. Computational fluid dynamics simulations provided a new scale-up parameter, which was first successfully applied for the scale-up of the Streptomyces species and subsequently to the co-cultures. In these cultivations, the characteristic morphology, dispersed growth for Trichoderma reesei and pellets for Streptomyces species, was maintained across scales. All in all, this work makes an important contribution to the research of filamentous co-cultures. By developing a method for differentiated online monitoring and establishing a novel scale-up parameter, key challenges are addressed, and systematic approaches for the biotechnological use of filamentous microorganisms are provided.

OpenAccess:
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