Integrated biochemical engineering : strain and process engineering for the production of rhamnolipids

• Integrierte Stamm- und Prozessentwicklung am Beispiel der rekombinanten Rhamnolipidproduktion

Demling, Philipp; Blank, Lars M. (Thesis advisor); Jupke, Andreas (Thesis advisor)

1. Auflage. - Aachen : Apprimus Verlag (2021, 2022)
Buch, Doktorarbeit

In: Applied microbiology 25
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Kurzfassung

Um biotechnologischer Prozesse im Zuge der angestrebten zirkulären Bioökonomie zu etablieren, müssen ganzheitliche Ansätze verfolgt werden, die alle Stufen der Prozessentwicklung integriert. In diesem Rahmen veranschaulicht die vorgestellte Arbeit die Integration von Stamm- und Prozessentwicklung am Beispiel der Produktion der Biotensid-Klasse der Rhamnolipide mit rekombinantem Pseudomonas putida KT2440. Starke Schaumbildung hindert die Prozessführung für die Produktion von Biotensiden in Bioreaktoren. Um diese Herausforderung zu umgehen, wurde eine in situ flüssig-flüssig-Extraktion etabliert, wofür ein geeignetes biokompatibles Lösungsmittel in einer mehrstufigen Auswahlstrategie identifiziert wurde. Diese Strategie schloss die weitere Produktrückgewinnung und das Lösungsmittelrecycling mit ein. Um die Funktionalität der Extraktion zu verbessern, wurden Kultivierungsparameter angepasst, was wiederum die Leistung des Ganzzell-Biokatalysators beeinflusste. Das Aufdecken von Wechselwirkungen der integrierten Up- und Downstream-Prozessschritte führte zur Definition eines Betriebsfensters, das eine schaumfreie Fed-Batch-Kultivierung von Rhamnolipid-produzierendem P. putida KT2440 mit integrierter in situ Extraktion erlaubte. Anschließend wurden verschiedene Kultivierungsmodi für eine gesteigerte Produktion evaluiert und Strategien für eine verbesserte Phasentrennung erarbeitet. Da die Grenzen des Betriebsfensters durch den Ganzzell-Biokatalysator limitiert sind, wurden Methoden der Stammentwicklung genutzt, um die Lösungsmitteltoleranz von P. putida KT2440 zu erhöhen und damit die Verwendung zusätzlicher Extraktionsmittel zu ermöglichen. Hier wurde P. putida KT2440 erfolgreich dahingehend angepasst, hohe Konzentrationen von 1-Oktanol zu tolerieren. Nach Genom-Resequenzierung und anschließendem Reverse Genome Engineering wurden Stämme erzeugt, die Rhamnolipid-Produktion in der Gegenwart von 1-Oktanol ermöglichen. Des Weiteren wurde gezeigt, dass P. putida KT2440 vorübergehende, sich jedoch wiederholende Sauerstofflimitierungen überstehen kann, ohne dabei an Produktionskapazität einzubüßen. Dies unterstreicht seine herausragende Eignung für Produktionsprozesse im industriellen Maßstab. Die erhobenen Erkenntnisse wurden verwendet, um ein Betriebsfenster für die Produktion von Rhamnolipiden in einem speziell entwickelten Mehrphasen-Schlaufenreaktor zu definieren, der die Kultivierung mit einer in situ flüssig-flüssig-Extraktion im Gegenstrom integriert. Die Leistungsindikatoren der durchgeführten Kultivierung waren vergleichbar mit denen der zweiphasigen Kultivierungen in Rührkesselreaktoren, was die Robustheit von P. putida KT2440 als Ganzzell-Biokatalysatoren unterstreicht und als Machbarkeitsnachweis für den neuartigen Reaktor dient. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit Aspekte der integrierten Bioprozessentwicklung und die Dringlichkeit einer ganzheitlichen, interdisziplinären Betrachtung für die gesamte Prozessentwicklung auf. Obwohl sich die Ergebnisse dieser Arbeit spezifisch auf das vorgestellte System zur Herstellung von Rhamnolipiden mit rekombinantem P. putida KT2440 beziehen, können die grundlegenden Konzepte und vorgeschlagenen Lösungsansätze auf andere Bioprozesse übertragen werden. Dadurch wird die Entwicklung kompetitiver, industrieller Bioprozesse gefördert, die schlussendlich zur Etablierung der angestrebten zirkulären Bioökonomie beitragen.

Einrichtungen

• Fachgruppe Biologie [160000]
• Lehrstuhl für Angewandte Mikrobiologie [161710]