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B3 Einfluss des Environoms auf die Morphologie und Produktbildung filamentöser Pilze (Aspergillus niger)

(Hempel/Krull)

Filamentös wachsende Mikroorganismen wie der Pilz Aspergillus niger werden in zahlreichen Bioprozessen aufgrund ihrer Sekretionseigenschaften zur Produktion biotechnologischer Wertstoffe eingesetzt. Die Produktivität dieser Mikroorganismen wird dabei in hohem Maße von der morphologischen Ausprägung, als freies Myzel oder als aggregierte Biomasse in Form von Biopellets, beeinflusst (Abb. 1). Die myzelartige Ausprägung des Pilzes bedingt prozesstechnische Nachteile, wie z. B. eine hohe Viskosität der Kultivierungsbrühe und die damit verbundenen Probleme einer geringen Substratversorgung durch mangelnde Durchmischung. Bei pelletartigem Wachstum weist die Kultivierungsbrühe zwar Newtonsches Fließverhalten auf, jedoch können Nachteile in Bezug auf Substratlimitierungen im Inneren der Biopellets auftreten. Vor- und Nachteile der jeweili­gen morphologi­schen Ausprägung müssen daher für jeden biotechnologischen Prozess abgewogen werden. Die Morphologie des Pilzes wird ent­scheidend durch das Environom, d. h. die physikochemischen, hier vorrangig der pH-Wert, und die fluiddynamischen Kultivierungsbedingungen im Bioreaktor, beeinflusst.


b3

Abb. 1: A. niger in unterschiedlicher morphologischer Ausprägung (volumenbezogener Leistungseintrag P/V = 100 W m-3), a) Pelletstruktur nach einer Kultivierungsdauer von 32 h ausschließlich bei pH = 5,5, b) Myzelstruktur nach 24 h ausschließlich bei pH = 3, c) nach 8-stündiger Anzucht bei pH = 3, anschließendem Shift auf pH = 5,5 und einer weiteren Kultivierungsdauer von 24 h
 

Innerhalb des Teilprojekts B3 (Krull/Hempel) sollen nun die in den ursprünglichen Teilprojekten B2 (Hempel/Horn) und B3 (Hempel/Krull) entwickelten verfahrenstech­nischen und moleku­larbiologi­schen Methoden und Er­kenntnisse zum Einfluss des Environoms auf die Morphogenese des filamentösen Pilzes A. niger und die Produktion von Proteinen zu­sammengeführt werden. Übergeordnetes Ziel des Teilprojektes ist die ganzheitliche Modellbeschreibung der Kultivierung sowie die Optimierung der Produktbildung und -freisetzung in Prozessen mit filamentösen Mikroorganismen. Ausgehend von den Vorgängen innerhalb der Zelle bis zu den vorliegenden physikochemischen und fluiddynamischen Phänomenen auf makroskopischer Ebene, die die Morphologie des Pilzes nachhaltig beeinflussen, soll die Morphogenese der Myzelbildung bzw. der Pelletentstehung, über Primär- und Sekundäraggregation und weitere Aggregationsmechanismen, vollständig populationsdynamisch bilanziert und mit Hilfe unterschiedlicher Partikelgrößenmesstechniken verifiziert werden.

Weiterhin soll der Schritt zur Beschreibung der mechanischen Be­anspruchung vom bisher verwendeten nichtbiologischen Ton-Polymer-Flockensystem auf A. niger-Aggregate vollzogen werden. Dazu sollen die bislang mit Hilfe von Computional Fluid Dynamics (CFD) generierten fluiddynamischen Simulationsmethoden und -daten aus der Modellierung des Rührkesselreaktors nach Verifizierung über Particle Image Velocimetry (PIV) (Abb. 2) mit der Scherbelastung des bisher verwendeten Flockensys­tems gekoppelt werden. Die daraus resultierenden integralen Daten der mechani­schen Beanspruchung sollen mit lokalen Ergebnissen der Strömungssimulation abgeglichen werden, um ein fluiddynamisches Modell für die Beanspruchung filamentöser Mikroorganismen im Rührkesselreaktor zu entwickeln. Darüber hinaus ist beabsichtigt, die während der Kultivierung ablaufenden dynamischen Prozesse des Wachstums, der Aggregation und des Zerfalls innerhalb einer Populationsbilanzierung miteinander zu verknüpfen.

 

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Abb. 2: Vergleich von Simulations- (CFD, Farbkodierung) und PIV- Daten (Iso­linien): Turbulente kinetische Energie (TkE) in der Rührerblattebene

 

In weitergehenden Untersuchungen sollen die Produktbildung und ‑freisetzung sowie die Expression von Stress- und Morpho­genesemarkern mittels real time-PCR, Enzymaktivitätstests, Fluoreszenzmes­sungen bzw. ELISA-Technologie molekularbiolo­gisch analysiert und quantifiziert werden. Anhand der auf Transkriptions-, Translations- und Sekretionsebene gewonnenen Daten zur Produktbildung sollte es möglich sein, Engpässe auf dem Weg von der Genexpression über die Produktion bis zur Protein­freisetzung zu identifizieren. Zudem sollen makroskopisch sichtbare Wachstumserscheinungen bzw. Wachstumsanomalien und –limitierungen mit entsprechenden Genexpressiondaten vorhersagbar /werden. Die systembiologische Integration der so gewonnenen Daten erfolgt mit Hilfe zellulärer Modelle, die von den Teilprojekten B4 (Jahn/Nörtemann/Jänsch) und B9 (Münch/Schomburg) bereitgestellt und mit dem fluiddynamischen Modell gekoppelt werden.

 

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