Advancing shaken bioreactors for the characterization of anaerobic microorganisms

Miebach, Katharina; Büchs, Jochen; Rabus, Ralf

doi:43163

Advancing shaken bioreactors for the characterization of anaerobic microorganisms = Weiterentwicklung von geschüttelten Bioreaktoren zur Charakterisierung von anaeroben Mikroorganismen

Miebach, Katharina^RWTH*

2024

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Katharina Miebach

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Büchs, Jochen (Thesis advisor)^RWTH* ; Rabus, Ralf (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-03-15

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-04070
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/984491/files/984491.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik (416510)

Projekte

BMBF 031B0846B - Mikrobielle Biofabriken: BaPro - Darmbakterien des Phylums Bacteroidetes zur Herstellung von Probiotika, bioaktiven Substanzen und organischen Säuren aus nachwachsenden Rohstoffen (Teilprojekt B) (031B0846B) (031B0846B)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
anaerobe Darmbakterien (frei) ; anaerobic gut bacteria (frei) ; biohydrogen (frei) ; Biowasserstoff (frei) ; online monitoring (frei) ; Onlinemesstechnik (frei) ; Phocaeicola vulgatus (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Anaerobe Mikroorganismen bieten erhebliches Potenzial für die nachhaltige Produktion von Chemikalien. Spezielle organische Säuren wie Succinat können als Basiskomponenten in der Industrie genutzt werden. Da die Kultivierung anaerober Mikroorganismen anspruchsvoll ist, besteht jedoch eine Wissenslücke im Verständnis ihres Stoffwechsels und ihrer Produktionsleistung. Komplexere Kultivierungsmethoden wie Fed-Batch oder kontinuierliche Kultivierung erhöhen die Anaerobizitätsanforderungen zusätzlich. Infolgedessen bleibt das Potenzial anaerober Mikroorganismen für industrielle Bioprozesse oft ungenutzt. In dieser Arbeit wurden geschüttelte Bioreaktoren mit Batch, Fed-Batch und kontinuierlicher Betriebsweise für Anaerobier etabliert. Hierfür wurden konstruktive Änderungen an den Systemen vorgenommen und neue Gassensorik zur online Messung der CO2- und H2-Transferraten aufgebaut. In Kulturen des Darmbakteriums Phocaeicola vulgatus im Batch-Schüttelkolben wurden die Mindestpufferkonzentration und ein optimaler Start-pH-Wert ermittelt, um eine pH-Inhibition zu vermeiden. Die initiale Zugabe verschiedener Säuren zeigte eine inhibierende Wirkung von Laktat auf P. vulgatus, beginnend ab einer Konzentration von 1 g L-1. In einer pH-geregelten Batch-Fermentation wurde der Wechsel der Säureproduktion von Laktat hin zu Succinat gezeigt. Aerobe, membranbasierte Fed-Batch-Schüttelkolben wurden zu anaeroben Kultivierungssystemen umgebaut und erfolgreich angewendet. Dabei wurde eine Inhibierung des Fed-Batch Prozesses aufgrund hoher Laktatproduktion identifiziert, welche in der zukünftige Prozessentwicklung berücksichtigt werden muss. Das aerobe, kontinuierliche Schüttelkultursystem COSBIOS wurde ebenfalls zu einem anaeroben Kultivierungssystemen umgebaut und kontinuierliche Kultivierungen durchgeführt. Jedoch benötigen diverse technische Aspekte wie Undichtigkeiten durch Schlauchabrieb weitere Optimierung. Für eine umfassende Analyse wurden Wärmeleitfähigkeitssensoren zur Onlineüberwachung der H2-Produktion in den genannten Kultivierungssystemen etabliert. Da Wärmeleitfähigkeitssensoren nicht H2 spezifisch sind, wurde ihre Querempfindlichkeit zu CO2-Konzentrationen, Temperatur und Gasfeuchtigkeit untersucht. Der Sensormessbereich wurde anschließend mit zwei Anaerobiern validiert: Dem stark H2 produzierenden Clostridium pasteurianum und dem gering H2-produzierenden P. vulgatus. Die Onlineüberwachung der H2-Produktion ermöglichte die Ermittlung von H2 Transferraten. Durch ihre Kombination mit online CO2-Transferraten wurde ein Quotient für die anaerobe Atmung eingeführt. Die vorgestellte Arbeit erleichtert die Entwicklung effizienter Bioprozesse mit anaeroben Mikroorganismen, indem Herausforderungen bei der anaeroben Kultivierung angegangen und Lösungen für die Echtzeitüberwachung von Gasübertragungsraten bereitgestellt werden.

Anaerobic microorganisms possess vast potential for the sustainable production of chemicals. Particular organic acids, such as succinate, can be utilized as basic components in the industry. However, since cultivations of anaerobic bacteria are challenging, there is a knowledge gap in understanding their metabolisms and cultivation performance. Advanced and complex cultivation modes such as fed-batch or continuous cultivation even increase the requirements for anaerobicity. As a result, the potential of anaerobic microorganisms for industrial bioprocesses often remains hidden. This study established shaken bioreactors with batch, fed-batch, and continuous operation modes for anaerobic cultivations. Constructive changes were made to the systems for this purpose, and a new gas sensor system was implemented to measure the CO2 and H2 transfer rates online. In axenic cultures of the gut bacterium Phocaeicola vulgatus in batch shake flask experiments, the minimum buffer concentration and an optimal initial pH were identified to mitigate the pH inhibition of P. vulgatus. The initial addition of different acids revealed an inhibitory effect of lactate on P. vulgatus, starting at a concentration of 1 g L 1. A comparison of a pH-buffered and a pH-controlled batch fermentation demonstrated a switch in acid production from lactate to succinate under pH control. Aerobic, membrane-based fed-batch shake flasks were rebuilt into anaerobic cultivation systems and successfully applied in anaerobic conditions. However, an inhibition of the fed-batch process due to high lactate production was observed, which must be considered in future process development. The aerobic continuous shaken cultivation system COSBIOS was also modified into an anaerobic cultivation system, and anaerobic continuous cultivations were performed. Nevertheless, various technical aspects, such as leakages due to tube abrasion, require additional optimization. For a comprehensive analysis, thermal conductivity sensors were implemented to monitor hydrogen production by anaerobes online in the cultivation systems mentioned. Since thermal conductivity sensors are not hydrogen-specific, their cross-sensitivity to CO2 concentration, temperature, and humidity was evaluated. The sensor measurement range was validated with two anaerobes: the highly H2-producing Clostridium pasteurianum and the low H2-producing P. vulgatus. The online monitoring of H2 production enabled the determination of hydrogen transfer rates. In combination with online CO2 transfer rates, molar gas balances of the cultivations were closed, and an anaerobic respiration quotient was introduced. The presented work paves the way for more efficient bioprocesses utilizing anaerobic microorganisms by addressing cultivation challenges and providing online monitoring solutions for gas transfer rates.

OpenAccess:
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