Bestimmung und Optimierung verfahrenstechnischer und metabolischer Kenngrößen bei photoautotrophen Mikroorganismen unter Verwendung nichtlinearer Optimierungsalgorithmen

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2015-10-30
Issue Year
2015
Authors
Schirmer, Matthias
Editor
Abstract

Die vorliegende Arbeit fokussiert sich auf zwei Schwerpunkte zur Kultivierung des photoautotrophen Mikroorganismus Porphyridium purpureum. Der erste Schwerpunkt liegt in der Produktionsoptimierung eines ausgewählten Metaboliten. Der Zweite beschäftigt sich mit einer Methodenentwicklung zur in-situ Bestimmung verfahrenstechnischer und dem Metabolismus beeinflussender Kenngrößen. Bei dem ausgewählten Metaboliten handelt es sich um Exopolysaccharide, für die antivirale Wirksamkeiten in Abhängigkeit ihres Sulfatierungsgrades bekannt sind. Zur Quantifizierung der Exopolysaccharide und deren Sulfatierungsgrad sind photometrische Methoden und ein geeignetes Aufreinigungsverfahren entwickelt worden. Die Beurteilung der spezifischen Produktionsleistung von Porphyridium purpureum erfolgt anhand der Raum-Zeit-Ausbeute an Exopolysacchariden. Zur Beeinflussung der spezifischen Produktionsleistung wird ein nichtlineares Optimierungsverfahren, das Nelder-Mead-Downhill Simplex-Verfahren, angewendet. Dafür werden fünf Randparameter – die Photonenflussdichte, die Salinität (maßgeblich durch den Gehalt an Natriumchlorid bestimmt), der Gehalt an Magnesiumsulfat/Kaliumnitrat und der Gasvolumenstrom – ausgewählt. In mehreren durchgeführten Parametervariationen wird im Vergleich zu Standardbedingungen ein Anstieg der Raum-Zeit-Ausbeute von 0,0658 bis zu 0,1353 g∙l^-1∙d^-1 erreicht. Zeitgleich ist eine Erhöhung des Sulfatierungsgrades von 5,14 auf bis zu 8,76 Gew.-% und der des zellzahlspezifischen Exopolysaccharidgehaltes von 9,70 auf bis zu 26,62 gEPS∙(10^12 Zellen)^-1 festgestellt worden. Im zweiten Schwerpunkt der Arbeit werden grundsätzliche Methoden zur in-situ Bestimmung reaktionstechnischer und dem Metabolismus beeinflussender Kenngrößen in nicht-gerührten Blasensäulen für photoautotrophe Mikroorganismen etabliert. Die Kenngrößen sind basierend auf folgender Beobachtung ausgewählt worden: während des Kultivierungsprozesses ist ein Anstieg der Viskosität aufgrund vermehrter Exopolysaccharidproduktion festzustellen. Die Änderung der Viskosität beeinflusst den Massentransferkoeffizienten (z.B. von Sauerstoff) des Reaktorsystems. Bei zu hohen Sauerstoffkonzentrationen ist von einer Inhibierung des Wachstums von Porphyridium purpureum, die sich durch eine Änderung der Bruttosauerstoffproduktionsrate äußert, auszugehen. Demzufolge wird der Massentransferkoeffizient als reaktions-/transporttechnische Kenngröße und die Bruttosauerstoffproduktionsrate als metabolische Kenngröße gewählt. Basierend auf der dynamischen Methode mit Quelle/Senke wird ein Verfahren zur gleichzeitigen Bestimmung des Massentransferkoeffizienten und der Bruttosauerstoffproduktionsrate (inklusive der Sauerstoffaufnahmerate und der Nettosauerstoffproduktionsrate) entwickelt. In einer ersten praktischen Anwendung ist während einer durchgeführten Kultivierung ein Absinken des Massentransferkoeffizienten von 35 auf bis zu 5 h^-1 zu beobachten. Das Absinken scheint umgekehrt und nichtlinear von der Erhöhung des Exopolysaccharidgehaltes abzuhängen. Basierend auf den Untersuchungen zum Massentransferkoeffizienten wird eine maximale Brutto- und Nettosauerstoffproduktionsrate zum Ende der linearen Phase am vierten Kultivierungstag zu 71,70/61,89 mmol∙l^-1∙h^-1 gemessen. Die Differenz stellt den Sauerstoffbedarf von Porphyridium purpureum dar. Bezogen auf die Biotrockenmasse wird im Bereich zwischen der Übergangs-und der stationären Phase ein Bedarf von 0,45 mmol∙g^-1∙h^-1 festgestellt. Dieser Wert stimmt mit den Untersuchung von Kliphuis et al. (0,3 mmol∙g^-1∙h^-1) vor dem Hintergrund eines biologischen Systems nahezu überein und könnte dem Sauerstoffbedarf des Erhaltungsstoffwechsel zugeordnet werden [Kliphuis et al. 2011].

DOI
Faculties & Collections
Zugehörige ORCIDs