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Projekt
Untersuchung und Modellierung der mechanischen und Oberflächen-induzierten Beanspruchung von Pellets filamentöser Mikroorganismen am Beispiel von Lechevalieria aerocolonigenes
Antragsteller
Professor Dr. Rainer Krull; Professor Dr.-Ing. Arno Kwade
Fachliche Zuordnung
Mechanische Verfahrenstechnik
Bioverfahrenstechnik
Bioverfahrenstechnik
Förderung
Förderung von 2016 bis 2024
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 315457657
Wesentliches Ziel des Projektes ist, die biotechnologischen Prozessparameter der Zellmorphologie filamentöser Mikroorganismen und deren Produktionsverhalten unter den Bedingungen einer Partikel-induzieren Kultivierung numerisch und experimentell zu untersuchen und zu verstehen. Dadurch wird die modellgestützte Bestimmung der bestmöglichen Partikeldosierung (Material, Größe, Konzentration) für die Partikel-induzierte Kultivierung filamentöser Mikroorganismen zur Erhöhung der Produkttiter ermöglicht. Die Methode wird anhand des filamentösen Modellorganismus Lechevalieria aerocolonigenes, der den Sekundärmetaboliten Rebbeccamycin mit antibiotischen und -tumoralen Eigenschaften in pelletartiger Struktur produziert, erarbeitet und validiert. In der ersten Projektphase konnte in 250 mL-Schüttelkolben durch Glaspartikelzugabe mit steigender Partikelgröße und -konzentration und damit steigender mechanischer Beanspruchung eine Pelletvergrößerung und -auflockerung zu einer offenporigen Struktur beobachtet werden. Bei weiterer Erhöhung der mechanischen Beanspruchung über den Punkt mit maximaler Produktivität hinaus wurden die Pellets durch Erosions- und Bruchprozesse wieder kleiner und dichter. Durch die offenporige Pelletstruktur wird eine verbesserte Substratpenetration und Rebeccamycinproduktion erzielt. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Vorhersage von Produktausbeuten nur über die Kenntnis der Beanspruchungsspektren möglich ist, und dass ein komplexes Zusammenspiel von Partikelgröße, ‑dichte, ‑konzentration und -form existiert. Mittels der entwickelten CFD-DEM-Simulationen konnten die Beanspruchungsenergien der Glaskugelkollisionen im Schüttelkolben ermittelt werden, wobei die Scherbeanspruchung zwischen Partikel und Kolbenwand den signifikantesten Beanspruchungsanteil ausmacht. Bei Zugabe von kleineren oberflächenmodifizierten Mikropartikeln (z.B. aus Talk) zur Steigerung der Rebeccamycin-Konzentration werden Oberflächeneffekte vermutet, durch die die Partikel sich an die Hyphen anlagern und beim Wachstum in die Pellets inkorporiert werden. In der zweiten Projektphase soll daher das Augenmerk auf die Pelletstruktur unter Zugabe von oberflächenmodifzierten Glasmikropartikeln gelegt werden, was u. a. durch die Erweiterung der Messmethodik erzielt wird (µCT, O2-Mikroelektroden-Messtechnik). Im Bioreaktor wird das Pelletwachstum und der Einfluss der Rührer-induzierten Beanspruchung detailliert betrachtet. Weiterhin wird ein einzelnes Pellet in der Simulation dargestellt und das Wachstum sowie die mechanische Beanspruchung des Pellets abgebildet. Dafür wird das mikromechanische Verhalten der Hyphen bzw. Pellets mittels Nanoindenter charakterisiert. Die Weiterentwicklung bestehender Populationsbilanzen-Modelle wird zur Charakterisierung von Pelleterosion und ‑bruch eingesetzt.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
