Technische Exploration der Induktion der Surfactin-Biosynthese in Bacillus subtilis durch mikroaerob Bedingungen, Modellierung, Parametrisierung und Bewertung der in-situ Produktentfernung durch Schaumfraktionierung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Rudolf Hausmann
• Fachliche Zuordnung: Bioverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 365166982

Surfactin ist ein hochwirksames nicht-ribosomales Lipopeptid-Biotensid, das von Bacillus subtilis produziert wird. Grundsätzlich ist die Herstellung solcher Lipopeptide nicht trivial und trotz umfangreicher Bemühungen wurden bisher nur begrenzte Verbesserungen bei der Bioproduktion erreicht. In aeroben Fed-Batch-Verfahren konnten bis zu 27 g/L erreicht werden, was jedoch mit einer starken Schaumbildung einherging, die zu einer übermäßigen Zugabe von Antischaummitteln sowie einer nicht überzeugenden spezifischen Produktausbeute (YP/X) führte. Im Gegensatz dazu hatten wir zuvor eine vielversprechende alternative anaerobe Kultivierungsstrategie etabliert, die zu hohen YP/X-Werten führte, aber unter anderen Einschränkungen litt. Mit dem vorliegenden Antrag wird ein neuartiger Umschaltprozess von aerober zu mikroaerober Kultivierung mit integrierter Produkttrennung entwickelt. Es wird eine modellbasierte Bioprozesssteuerung der Zu- und Abflussraten über eine Schaumsäule implementiert, um einen erweiterten Fed-Batch-Prozess zu ermöglichen. Ziel ist es, die Vorteile sowohl der aeroben als auch der anaeroben Kultivierung zu kombinieren und gleichzeitig die jeweiligen Nachteile zu vermeiden. Dadurch soll die spezifische Surfactinausbeute vervielfacht werden. Darüber hinaus werden die Bioreaktorkultivierung, die Schaumfraktionierung und das Zellrecycling in einem kombinierten dynamischen Modell beschrieben. Das verwendete Design ermöglicht es, dass der Gasfluss für die Schaumfraktionierung unabhängig von der Belüftung des Bioreaktors ist. Vorarbeiten haben bereits gezeigt, dass der Promotor der Nitritreduktase PnasD unter mikroaeroben und anaeroben Bedingungen stark exprimiert werden und für die mikroaeroben Induktion der Surfactin-Biosynthese genutzt werden können. Es ist daher biologisch und technisch zu klären, wie einerseits die Schaumbildung im Bioreaktor durch mikroaerobe Bedingungen minimiert und andererseits eine maximale Induktion erreicht werden kann, so dass der Ersatz des nativen Promotors PsrfA durch PnasD zu einem mikroaeroben, selbstinduzierbaren Surfactin-Produktionsprozess mit bisher nicht erreichten Produktivitäten führt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass dieses Projekt einen unkonventionellen, neuartigen Ansatz zur Realisierung eines hocheffizienten Prozesses zur Herstellung von Biotensiden untersucht, der eine effiziente aerobe Wachstumsphase der Biomasse und eine mikroaerobe Produktbildungsphase mit höchster spezifischer Produktausbeute (YP/X) kombiniert. Um das Produktivitätspotenzial der Zellen unter mikroaeroben Bedingungen zu erforschen, wird ein modellbasierter Prozess in Verbindung mit einer integrierten Schaumfraktionierung eingesetzt. Der grundlegende Erkenntnisgewinn liegt zum einen in der Erforschung des Potenzials sauerstofflimitierter Zellen und andererseits im Verständnis des dynamischen Verhaltens dieses neuartigen gekoppelten Prozesskonzepts.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen