Etablierung und Analyse kontinuierlicher Kultivierungen von Bacillus licheniformis mit Hefeextrakt als einzige Kohlenstoffquelle

Abstract

Kontinuierliche Kultivierungen können für die Analyse kinetischer Parameter, wie die Sättigungskonstante, der Bestimmung der optimalen und kritischen Verdünnungsrate sowie der maximalen Produktivität herangezogen werden. Diese Parameter dienen der Optimierung biotechnologischer Prozesse, bei denen ein primäres Ziel eine hohe Zeit-Raum-Ausbeute ist. Hefeextrakte stellen aufgrund ihrer vielfältigen Zusammensetzung und ihres hohen Gehalts an essenziellen Substanzen wie Aminosäuren, Mineralien und Vitaminen eine kostengünstige Nährstoffkomponente in Bioprozessen dar. Experimente haben gezeigt, dass der gram-positive Modellorganismus Bacillus licheniformis DSM 13 in der Lage ist, alle essenziellen Aminosäuren zu synthetisieren und Hefeextrakte als einzige Kohlenstoff- und Energiequelle für den Wachstums- und Erhaltungsstoffwechsel zu nutzen. In dieser Thesis wurde für die Etablierung kontinuierlicher Prozesse die Anlagenperipherie einer Multifermenteranlage erfolgreich verändert. In mehreren Kultivierungen in 1 L Bioreaktoren wurden verschiedene Hefeextrakte bei Verdünnungsraten von 0,07 h 1 bis 0,977 h 1 getestet. Die Reservoirkonzentration wurde dabei immer konstant auf 10 gL 1 eingestellt. Eine anschließende Hochleistungsflüssigkeitschromatographie gab Aufschluss über verbrauchte Kohlenstoffquellen. Zusammen mit der Biotrockenmasse ermöglichte sie die Auftragung im X-D-Diagramm und damit die Bestimmung der maximalen Produktivität des Hefeextraktes als einzige Kohlenstoffquelle (XDmax,Leber: 0,5878 gL 1h 1; XDmax,Laemand: 0,8726 gL 1h 1). Die Bestimmung der Sättigungskonstante war aufgrund der Datenlage nicht möglich. Eine stark ausgeprägte Biofilmbildung an der Glasinnenwand und den Sonden des Bioreaktors erschwerte die Analyse der Prozesse.

Continuous cultivation can be used for the analysis of kinetic parameters such as saturation constant, the determination of optical and critical dilution rate and the maximum productivity. These are helpful parameters in optimizing the time-spaceyield in biotechnological processes. Yeast extracts provide an inexpensive nutrient media component in bioprocesses due to their diverse composition and high content of essential substances such as amino acids, minerals and vitamins. Experiments have shown that the gram-positive model organism, Bacillus licheniformis DSM 13, is able to synthesize all essential amino acids and use yeast extracts as the only carbon source and energy source for growth and maintenance metabolism. In this thesis, the plant periphery of a multifermenter plant was successfully modified for the establishment of continuous processes. Several cultivations were performed in a 1 L bioreactor to test different yeast extracts at dilution rates ranging from 0,07 h 1 to 0,977 h 1, while the reservoir concentration was kept constant at 10 gL 1. A subsequent high performance liquid chromatography provided information about consumed carbon sources. Together with the cell density, it allowed plotting on the X-D-diagram to determine the maximum productivity of the yeast extract (XDmax,Leber: 0,5878 gL 1h 1; XDmax,Laemand: 0,8726 gL 1h 1). Determination of the saturation constant was not possible due to the data situation. The analysis was complicated on account of the complex composition of the yeast extract and a strong biofilm formation on the inner wall and probes of the bioreactor.