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Simultaneous design of microbe and bioprocess = Gleichzeitige Entwicklung von Mikroben und Bioprozessen
2026
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2026
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2026-06-03
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-08142
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1040758/files/1040758.pdf
Einrichtungen
Projekte
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Bileveloptimierung (frei) ; Bioprozessdesign (frei) ; Flussbilanzanalyse (frei) ; bilevel optimization (frei) ; bioprocess design (frei) ; flux balance analysis (frei) ; integrated design (frei) ; integriertes Design (frei) ; metabolic modeling (frei) ; metabolische Modellierung (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
Die Abhängigkeit von fossilen Rohstoffen kann durch biotechnologische Prozesse verringert werden, da Mikroorganismen aus nachhaltigen Substraten ein breites Spektrum an Zielchemikalien herstellen können. Besonders Substrate, die aus Abfallprodukten oder CO2 gewonnen werden können, sind eine vielversprechende Alternative zu Glukose und können sogar die Produktausbeute erhöhen, wie in drei Anwendungsfällen gezeigt wird. Acetat wird für die Herstellung eines Bioplastik-Vorläufers sowie Itakonsäure genutzt, während Ethanol als Co-Substrat für die Methylketonproduktion dient. Etablierte Modellierungs- und Optimierungsmethoden, namentlich die Flussbilanzanalyse und OptKnock, werden eingesetzt, um den veränderten Metabolismus unter Zufütterung des Co-Substrates zu untersuchen und optimale Gen-Deletionen vorzuschlagen. Mithilfe der Kombination aus rechnergestützten und experimentellen Methoden wird beispielsweise die bislang höchste Methylketonausbeute in einer Batch-Kultur mit Pseudomonas taiwanensis VLB120 (154 mg/g) erzielt. Bei der Skalierung eines Prozesses auf Fermentationsmaßstab spielt zusätzlich zur Produktausbeute die Raum-Zeit-Ausbeute als Indikator für die Fermentationseffizienz eine Rolle. In der vorgeschlagenen Zwei-Level-Formulierung SimulKnock maximiert das obere Level die Raum-Zeit-Ausbeute, basierend auf grundständigen Massenbilanzen einer kontinuierlichen Fermentation, während das untere Level den Mikroorganismus darstellt, basierend auf einer Flussbilanzanalyse. Die Besonderheit von SimulKnock ergibt sich dabei aus der Kombination und Verknüpfung der beiden Level. Üblicherweise werden das Stammdesign und das Fermentationsdesign nacheinander in separaten Formulierungen betrachtet, was zu Schwierigkeiten bei der Skalierung führen kann. SimulKnock dagegen spiegelt die gegenseitige Abhängigkeit von Metabolismus und Fermentationsbedingungen wider. SimulKnock wird, ähnlich wie OptKnock, mithilfe von starker Dualität umformuliert und als Ein-Level-Programm gelöst. Tatsächlich schlägt SimulKnock andere Gen-Deletionen vor und erreicht höhere Raum-Zeit-Ausbeuten als ein sequentieller Ansatz. Nicht nur die Fermentationsbedingungen, sondern auch verschiedene Kostenfaktoren beeinflussen die ökonomische Rentabilität und damit letztlich die Umsetzung eines Bioprozesses im Industriemaßstab. Aus diesem Grund erweitert die Formulierung SimulKnockReactor das obere Level von SimulKnock und minimiert die Gesamtkosten eines Bioreaktors unter Berücksichtigung der Bioreaktordimensionierung, der Belüftung, Kühlung und pH-Kontrolle, ohne spezifische Bauteile auszuwählen. SimulKnockReactor ermöglicht somit die Entwicklung eines Mikrobenstamms und die gleichzeitige frühzeitige techno-ökonomische Bewertung eines Bioprozesses. Schließlich kehrt der Fokus zurück zum Mikrobendesign. Konkurrierende Stoffwechselwege, Verhalten genetisch veränderter Mikroben und unterschiedliche stöchiometrische Darstellungen werden im Framework RobustMiMBl berücksichtigt, das von einem Vier-Level-Programm in ein semi-infinites Programm umformuliert wird. Für die Lösung des Programms, ohne Slater-Punkt im unteren Level, ist zukünftig ein neuer Algorithmus nötig. Insgesamt verknüpfen die Inhalte dieser Dissertation verschiedene Maßstäbe miteinander und befördern dadurch das Konzept eines integrierten Mikroben- und Bioprozess-Designs.Biotechnological processes can reduce dependency on fossil-derived chemicals, as microorganisms can produce a wide range of target chemicals from sustainable substrates. Substrates derived from waste-products or CO2 are a particularly promising alternative to glucose and can even increase yields, as demonstrated in three applications. Acetate is used for the production of a bioplastic precursor and itaconic acid, while ethanol serves as a co-substrate for methyl ketone production. Established metabolic modeling techniques, namely flux balance analysis and the bilevel strain optimization method OptKnock, are applied to investigate the altered metabolic configuration under co-feeding conditions and to propose optimal gene deletions. All three studies demonstrate the benefits of combining computational and experimental methods, achieving, e.g., the highest methyl ketone yield in batch cultivation to date using Pseudomonas taiwanensis VLB120 (154 mg/g). Yield, however, is not the only factor for a successful production process. When scaling up from laboratory to fermentation conditions, space-time yield becomes an indicator of fermentation efficiency. In the proposed bilevel optimization formulation SimulKnock, the upper level maximizes space-time yield and represents continuous fermentation based on fundamental mass balances, while the lower level represents the microorganism based on flux balance analysis. With these fundamental concepts as the basis at each level, SimulKnock’s novelty arises from the combination and coupling of both levels. Strain design and fermentation design are usually considered sequentially in separate formulations, potentially causing difficulties in scaling biotechnological processes. SimulKnock, in contrast, reflects the interdependence of metabolic configuration and fermentation conditions for simultaneous strain and fermentation design. SimulKnock is reformulated using strong duality, similar to OptKnock, and solved as a a single-level program with approximately 1 · 10^4 constraints and variables. Indeed, SimulKnock furnishes different gene deletion strategies and reaches higher space-time yields than a sequential approach. Not only fermentation conditions but also different cost factors influence the economic profitability and, thus, ultimately, the implementation of a biotechnological process. For this reason, the formulation SimulKnockReactor expands the upper level of SimulKnock and minimizes the total costs of a bioreactor by considering mass and energy balances as well as cost correlations. Bioreactor sizing, aeration, cooling, and pH control are taken into account, without selecting specific equipment. SimulKnockReactor thus enables the development of microbes and simultaneous early techno-economic evaluation of a bioprocess, thereby also promoting the currently under-explored field of optimal bioreactor design. Finally, the focus returns to strain design. Competing metabolic pathways, description of the cell after genetic modification, and different stoichiometric representations are taken into account in the formulation RobustMiMBl. RobustMiMBl is a special form of a four-level program that is reformulated into a semi-infinite program. However, a new solution algorithm will be needed in the future for this type of problem without a lower-level Slater point. Overall, our proposed formulations span different scales and promote the concept of an integrated design of strains and bioprocesses.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis/Book
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT031646729
Interne Identnummern
RWTH-2026-08142
Datensatz-ID: 1040758
Beteiligte Länder
Germany
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