Einfluss belastungsinduzierter Morphologieänderungen auf die Produktivität filamentöser Pelletsysteme am Beispiel von Actinomadura namibiensis

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Markus Böl; Professor Dr. Rainer Krull
• Fachliche Zuordnung: Bioverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 463178687

Filamentöse Mikroorganismen stehen im Zentrum vieler industrieller biotechnologischer Verfahren zur Herstellung von pharmazeutischen Verbindungen, Antibiotika, Proteinen oder organischen Säuren und werden häufig als disperse Filamente oder Pellets in Rühr- und Schüttelreaktoren kultiviert. Eine charakteristische Eigenschaft von Mikroorganismen in Pelletform ist, dass deren Wachstum und Produktivität eng an die Pelletmorphologie geknüpft ist. Beispielsweise bestimmt die Dichte des Filamentnetzwerks den Stofftransport innerhalb eines Pellets und kann entscheidend für die Lebensfähigkeit von Filamenten im Pelletinneren und mögliche Substratlimitierungen sein. Während die Morphologie mit der Lebensfähigkeit und Produktivität von Pellets in Verbindung steht, ist aus experimentellen Untersuchungen bekannt, dass die Morphologie durch die Kultivierungsbedingungen und vor allem durch mechanische Belastungen beeinflusst wird. Die Wechselwirkungen zwischen mechanischer Belastung, Morphologie und Produktivität auf der Ebene eines Pellets bilden den Kern dieses Projekts. Basierend auf kinetischen Ausdrücken für die auf ein Pellet wirkenden mechanischen Kräfte, die Morphologieänderungsrate und den Pelletstoffwechsel wird im Rahmen dieses Forschungsprojektes ein physikalisches Modell für die Vorhersage der Produktivität von Pelletkultivierungen, welches unabhängig von der Reaktorgeometrie und den Betriebsbedingungen ist, konzeptioniert und entwickelt. Perspektivisch kann dieses Modell eingesetzt werden, um Leitlinien für das Reaktordesign oder die Betriebsbedingungen abzuleiten und ein Optimum zwischen Energieeintrag, Zeitdauer und Produkterzeugung zu erzielen. Mit diesem Vorhaben gehen wir über existierende Modelle, die an bestimmte Reaktoren und Betriebsbedingungen gebunden sind und in denen belastungsinduzierte Morphologieänderungen vernachlässigt werden, hinaus. Im Rahmen des vorgeschlagenen Modells wird eine Langzeitbeschreibung für Pelletpopulationen in einem ideal durchmischten Reaktor mit der Bestimmung pelletspezifischer Lastkollektive auf kurzen Zeitskalen kombiniert. Diese geteilte Formulierung ermöglicht es, die weite Spanne zwischen Mischungsund Kultivierungszeit zu überbrücken. Als filamentöser Modellorganismus wird der Prokaryot Actinomadura namibiensis betrachtet, der als Produkt wachstumsentkoppelt das Peptidantibiotikum Labyrinthopeptin A1 bildet und in Schüttelkolben auf Laborskala kultiviert werden kann. Die experimentelle Kampagne zur Kalibrierung und Validierung des vorgeschlagenen Modells umfasst zwei Stränge. Zum einen werden die zeitlichen Verläufe der Substrat- und Produktkonzentrationen und der Morphologieverteilung über der Pelletpopulation im Schüttelkolben aufgenommen. Zum anderen werden pelletspezifische Experimente zur Analyse der Permeabilität, der internen Sauerstoffkonzentrationsverteilung undder mechanischen Steifigkeit durchgeführt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen