Process development and scale-up from shake flask to fermenter of suspended and immobilized aerobic microorganisms

Seletzky, Juri Martin; Büchs, Jochen

doi:29046

Process development and scale-up from shake flask to fermenter of suspended and immobilized aerobic microorganisms = Prozessentwicklung und Maßstabsvergrößerung vom Schüttelkolben zum Fermenter suspendierter und immobilisierter aerober Mikroorganismen

Seletzky, Juri Martin (Author)

2009

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Juri Martin Seletzky

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2009

UmfangXVIII, 175 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2007

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Büchs, Jochen (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2007-06-13

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-23094
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/50532/files/Seletzky_Juri.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik (416510)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Biofilm (Genormte SW) ; Erlenmeyerkolben (Genormte SW) ; Modellierung (Genormte SW) ; Oxidativer Stress (Genormte SW) ; Bioreaktor (Genormte SW) ; Biofluidmechanik (Genormte SW) ; Wasserstoffionenkonzentration (Genormte SW) ; Lactate (Genormte SW) ; Lactatstoffwechsel (Genormte SW) ; Immobilisierung (Genormte SW) ; Atmung (Genormte SW) ; Sauerstofftransport (Genormte SW) ; Aerobe Bakterien (Genormte SW) ; Schaumkeramik (Genormte SW) ; Keramik (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Corynebacterum glutamicum (frei) ; kla Wert (frei) ; oxygen transfer rate (frei) ; oxygen uptake rate (frei) ; scale-up (frei) ; shake flask (frei) ; volumetric mass transfer coefficient (frei) ; screening (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
rvk: WF 9725 * WF 9720 * ZM 6100 * ZM 6400 * WF 9730

Kurzfassung
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. Atmungsmessung 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 Standardatmungsmessverfahren Abgasanalyse und Respirometrie verglichen. Ein einfaches und kostengünstiges Screeningverfahren im Schüttelkolben zur Durchführung von Immobilisierungen auf Festkörpern 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.

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.

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