Tools accelerating the development of unconventional bioprocesses

Geinitz, Bertram Michael; Büchs, Jochen; Agler-Rosenbaum, Miriam

doi:42249

Tools accelerating the development of unconventional bioprocesses = Werkzeuge zur beschleunigten Entwicklung unkonventioneller Bioprozesse

Geinitz, Bertram Michael^RWTH*

2023

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Bertram Michael Geinitz

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2023

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Büchs, Jochen (Thesis advisor)^RWTH* ; Agler-Rosenbaum, Miriam (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-02-23

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-05251
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/958395/files/958395.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik (416510)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
coculture composition (frei) ; gas fermentation (frei) ; methanotrophic fermentation (frei) ; microbial community (frei) ; microtiter plate (frei) ; online monitoring (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Unkonventionelle mikrobielle Systeme wie Kokulturen oder gasverwertende Biokatalysatoren bergen ein großes Potenzial für die Umwandlung von Reststoffen oder komplexen Substraten zu hochwertigen Produkten. In dieser Arbeit werden daher drei Techniken für die Kultivierung und Prozessüberwachung entwickelt, da diese unkonventionellen Systeme neue Verfahren erfordern. Für die Charakterisierung und Optimierung von Kokulturprozessen sind kontinuierliche Daten der individuellen Biomassekonzentrationen notwendig. Bisher werden vorwiegend Offline-Methoden mit zeitlich geringer Auflösung zur Bestimmung der Biomassezusammensetzung eingesetzt. Daher wurde ein Online-Messverfahren für Mikrotiterplattenkultivierungen entwickelt. Mittels partial least squares-Regression nicht-invasiv gemessener Streulichtspektren konnten die individuellen Biomassekonzentrationen bestimmt werden. Das Potenzial der Technik wurde an einer Kokultur aus Lactococcus lactis und Kluyveromyces marxianus demonstriert. Die Ergebnisse wurden mittels im Coulter counter-Partikelzähler gemessenen Kultivierungsproben validiert und belegen, dass die individuellen Biomassekonzentrationen mit der Methode im Detail verfolgt werden können. Um die Charakterisierung von Kokulturen auch ohne aufwändiges Equipment und Spezialwissen zu ermöglichen, wurde eine Mikrotiterplatte für die räumlich getrennte Kokultivierung entworfen. Mikrofiltrationskanäle in der Bodenplatte erlauben dabei den Metabolitaustausch zwischen zwei Wells. In abiotischen Experimenten wurde der Stoffaustausch charakterisiert und mit modellierten Kokultivierungen verglichen. Es wurde gezeigt, dass sich bei der Kokultivierung in der Link-Plate die Prozesszeit deutlich verlängert und folglich der Metabolitaustausch zwischen den verbundenen Wells erhöht werden muss. Die biogene Nutzung von Methan aus Abfallströmen oder nachwachsenden Rohstoffen kann den CO2-Abdruck von Produktionsprozessen reduzieren. Gasverwertende Bakterien werden jedoch häufig in Serumflaschen charakterisiert, was zu einer sich ständig ändernden Verfügbarkeit von gasförmigen Substraten führt. Da so Gasverbrauchs und -produktionsraten unbekannt sind, ist der Erkenntnisgewinn limitiert. Daher wurde Methylococcus capsulatus in begasten Schüttelkolben bei gleichzeitiger Messung der Atmungsaktivität kultiviert. Die Methan- und Sauerstoffkonzentration für die Durchspülung der Schüttelkolben wurde berechnet, sodass keine Explosionsgefahr besteht und gleichzeitig so viel Substrat wie möglich zugeführt wird. Es konnte gezeigt werden, dass hierdurch die Charakterisierung von methanotrophen Mikroorganismen deutlich unterstützt wird.

Unconventional microbial systems, such as cocultures or gas utilizing biocatalysts, bear great potential in converting residues or complex substrates. This thesis demonstrates three approaches for the characterization of novel systems, as new techniques for process monitoring and cultivation are required to develop such processes.Continuous data of the individual biomass concentrations are necessary to characterize and optimize coculture processes. Up to now, primarily offline methods with low temporal resolution have been applied to determine the culture composition. Therefore, a noninvasive online monitoring tool based on scattered light spectra was developed for microtiter plate cultivations. A coculture containing Lactococcus lactis and Kluyveromyces marxianus was cultivated to demonstrate the tools’ potential. Via partial least squares regression of scattered light spectra, the online determination of the individual biomass concentrations is possible. The results were successfully validated by a Coulter counter-analysis, taking advantage of the different cell sizes of both organisms. The findings prove the applicability of the new method to follow the dynamics of cocultures in detail. To characterize cocultures without complex equipment and know-how, a microtiter plate for the spatially separated cultivation was designed. Via microfiltration channels in the bottom plate, metabolites can be exchanged between the two linked wells. The mass transfer was characterized in abiotic experiments and compared to modeled cocultivations. It was revealed that the cocultivation in the Link-Plate significantly increases the process time; therefore, the metabolite exchange between the linked wells needs to be increased in the future.The biocatalytic utilization of methane originating from waste streams or renewable resources can reduce the carbon footprint of production processes. However, gas fermentation processes are often characterized in serum bottles leading to a changing availability of gaseous substrates over time. Since gas consumption and production rates are thus unknown, knowledge gain is limited. Therefore, Methylococcus capsulatus, an aerobic methanotrophic bacterium, was cultivated in semi-continuously ventilated shake flasks allowing for simultaneous monitoring of the respiratory activity. The methane and oxygen concentrations for ventilation of the shake flasks were calculated to omit explosion hazards while supplying as much substrate as possible. It was demonstrated that the device substantially supports the characterization of aerobic methane utilizing microorganisms.

OpenAccess:
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