Process development and scale up from shake flask to fermenter of suspended and immobilized aerobic microorganisms [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Juri Martin Seletzky

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• Publié par: rheinisch-westfalischen_technischen_hochschule_-rwth-_aachen
• Publié le: 01 janvier 2007
• Nombre de lectures: 49
• Langue: English
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Extrait

Process Development and Scale-up from
Shake Flask to Fermenter of Suspended and
Immobilized Aerobic Microorganisms










Juri Martin Seletzky
PhD thesis Biochemical Engineering, RWTH Aachen University Process Development and Scale-up from
Shake Flask to Fermenter of Suspended and
Immobilized Aerobic Microorganisms




Von der Fakultät für Maschinenwesen der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule
Aachen zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften
genehmigte Dissertation
vorgelegt von
Juri Martin Seletzky
aus
Bonn


Berichter: Universitätsprofessor Dr.-Ing. Jochen Büchs
Universitätsprofessor Dr.-Ing. Peter Götz
Tag der mündlichen Prüfung: 13.06.2007


Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfügbar. Abstract V
Abstract
The aim of this study was to develop and advance techniques required to carry out process
developments with suspended and immobilized aerobic microorganisms cultivated in batch or
continuous mode. The applicability is demonstrated with the biological model system
Corynebacterium glutamicum grown on lactic acid. Respiration measurement in shake flasks
is introduced as a screening method to characterize the behavior of microorganisms exposed
to stress factors such as carbon starvation, anaerobic conditions, organic acids, osmolarity and
pH. It is evaluated and compared with the standard measuring methods, exhaust gas analysis
and respirometry. A simple and inexpensive shake flask screening method to perform
immobilization studies with solid supports is introduced. This method is applied to study the
adhesion of dormant and growing cells to ceramic and glass support materials with different
porosities and surface modifications. A novel everyday scale-up strategy from shake flasks to
fermenters based on empirical correlations of the volumetric mass transfer coefficient and the
pH change of the medium is developed and applied for batch and continuous cultures. Mixing
time, gas-liquid mass transfer, the influence of antifoam agent, power input, gas hold-up,
productivity, and long term behavior of a novel external loop biofilm reactor with a
honeycomb ceramic monolith as immobilization carrier are determined. With modeling the
productivities of biofilm and standard reactors are compared for aerobic processes with
growth associated product formation. To identify optimal operating conditions, the influences
of dilution rate, mass transfer, carbon source concentration, and surface area on the
productivity is modeled. The experimental results are summarized in Chapter 9 (Summary of
conclusions and experimental results). Zusammenfassung VI
Zusammenfassung
Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung von Verfahren zur effizienten Prozessentwicklung mit
suspendierten und immobilisierten Mikroorganismen in ansatzweiser und kontinuierlicher
Prozessführung. Die Anwendung der Verfahren wurde mit dem biologischen Modellsystem
Corynebacterium glutamicum auf der Kohlenstoffquelle Milchsäure demonstriert. Atmungs-
messung im Schüttelkolben wird als Screeningverfahren zur Charakterisierung des Verhaltens
von Mikroorganismen angewendet, um die Auswirkungen von Stressfaktoren (Osmolarität,
pH-Wert, organische Säuren, Mangel an Nähstoffen und Sauerstoff) auf die metabolische
Aktivität zu untersuchen. Das Verfahren wird evaluiert und mit den Standardatmungsmess-
verfahren Abgasanalyse und Respirometrie verglichen. Ein einfaches und kostengünstiges
Screeningverfahren im Schüttelkolben zur Durchführung von Immobilisierungen auf Fest-
körpern wird eingeführt, um das Adhäsionsverhalten von ruhenden und wachsenden Zellen
auf oberflächemodifizierten porösen Glas- und Keramikwerkstoffen zu charakterisieren.
Aufbauend auf empirischen Korrelationen des volumetrischen Stoffaustauschkoeffizienten
und des pH-Werts wurde ein Verfahren zur Maßstabsvergrößerung vom Schüttelkolben zum
Fermenter entwickelt. Mischzeit, Stofftransport, Einfluss von Antischaummittel,
Leistungseintrag, Gashold-up, Produktivität und Langzeitverhalten eines neuartigen
Biofilmschlaufenreaktors mit einem keramischen Honeycombmonolithen als
Aufwuchsoberfläche wurden bestimmt. Durch Modellierung konnten die Produktivitäten von
Biofilm- und Standardreaktoren für aerobe Prozesse mit wachstumsgekoppelter
Produktbildung verglichen werden. Zur Identifikation optimaler Betriebsbedingungen wurden
der Einfluss der Durchflussrate, des Stofftransports, der Konzentration der Kohlenstoffquelle
und der Aufwuchsoberfläche auf die Produktivität modelliert. Die experimentellen Ergebnisse
sind in Kapitel 9 (Summary of conclusions and experimental results) zusammengefasst. Vorwort VII
Vorwort
Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter
am Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik der RWTH Aachen.
Mein Dank gebührt meinen Kooperationspartnern am Institut für keramische Komponenten
im Maschinenbau (IKKM) Karen Otten und Horst R. Maier, die immer bereitwillig und
fachkundig auf meine Fragen eingegangen sind und meine Wünsche und Anregungen zügig
und hilfsbereit umgesetzt haben.
Ohne den kontinuierlichen Einsatz, die wertvollen Anregungen und die Mühen meiner
Studenten Sebastian Hahn, Hendrik Schneider, Ute Noak, Silvia Denter, Irena Münz, Daniela
Dreymüller, Christian Pohlmann, Michael Stemmler, Eike Welk, Jens Fricke und Linn
Mehnert, die viele Nächte und Wochenenden am Lehrstuhl verbracht haben, wäre diese
Arbeit niemals möglich gewesen. Euch allen gilt mein besonderer Dank.
Für die finanzielle Unterstützung dieser Arbeit danke ich der deutschen Forschungs-
gemeinschaft (DFG).
Gut, dass Kaffeetrinken nicht nur der Nahrungsaufnahme dient. Für die abwechslungsreichen
Gespräche, Meetings, Krisentreffen und Verschnaufpausen am Kaffeeautomaten oder im
Grünen danke ich meinen Kollegen. Nur dank Eurer Hilfsbereitschaft, Kreativität und
Kooperationsbereitschaft aber auch Kritik ließ sich auch das scheinbar Unmögliche oft
verwirklichen.
Ohne die anregenden Gespräche am Abendbrotstisch wären viele wertvolle Ideen niemals in
diese Arbeit eingeflossen. Für diese spannende Lebensatmosphäre danke ich meiner Frau
Julie.
Mein herzlicher Dank gilt Jochen Büchs, der mir viel Vertrauen entgegengebracht hat und mir
den Freiraum gegeben hat, meine Ideen und Ziele zu verwirklichen.

Aachen, im Juni 2007 Juri Seletzky Contents VIII
Contents
Abstract V
Zusammenfassung VI
Vorwort VII
Contents VIII
Nomenclature XIV
Roman symbols
Greek symbols XVI
Subscripts, Superscripts XVII
Abbreviations XVIII
1 Introduction 1
2 Characterization of the biological model system Corynebacterium
glutamicum with respiration measurement in shake flasks 5
2.1 Introduction 5
2.2 Materials and methods 8
2.2.1 Microorganism, media and culture conditions 8
2.2.2 Stress induced by carbon starvation 9
2.2.3 Stress induced by anaerobic conditions
2.2.4 Stress induced by lactic acid 10
2.2.5 Stress induced by osmolarity and pH 11
2.3 Results 11
2.3.1 Stress induced by carbon starvation 12
2.3.2 Stress induced by anaerobic conditions 13
2.3.3 Stress induced by lactic acid 15
2.3.4 Stress induced by osmolarity and pH 18 Contents IX
2.4 Discussion 21
2.4.1 Stress induced by carbon starvation 21
2.4.2 Stress induced by anaerobic conditions 22
2.4.3 Stress induced by lactic acid
2.4.4 Stress induced by osmolarity 23
2.4.5 Stress induced by pH 24
2.4.6 Evaluation of the general method
3 Evaluation of respiration measurement techniques 26
3.1 Introduction 26
3.2 Materials and Methods 28
3.2.1 Microorganism and Cultivation 28
3.2.2 Analytical procedures and culture conditions
3.3 Results and discussion 29
3.3.1 Accuracy 29
3.3.2 Precision 33
3.3.3 Quantitation limit and range
3.3.4 Summary and overall conclusion 36
4 Development of a scale-up approach for aerobic cultures 38
4.1 Introduction 38
4.2 Materials and methods 41
4.2.1 Microorganism and media 41
4.2.2 Fermentation devices
4.3 Determination of the culture conditions 42
4.3.1 Scale-up of the volumetric mass transfer coefficient and determination of non
oxygen limited culture conditions 42
4.3.2 Scale-up of t