Phototrophe Biofilme als Produktionssysteme

Phototrophe Biofilme als Produktionssysteme von Stiefelmaier,  Judith
Die Fähigkeit zur Photosynthese und ein großes Produktspektrum machen terrestrische Cyanobakterien zu vielversprechenden Produktionsorganismen für die industrielle Biotechnologie. Jedoch mangelt es an geeigneten Kultivierungssystemen für die Biofilmbildner, die in einer Matrix aus extrazellulären polymeren Substanzen (EPS) wachsen. Emerse Photobioreaktoren (ePBR) ermöglichen die oberflächenassoziierte Kultivierung in einem Medienaerosol, wodurch das natürliche Habitat imitiert wird. In dieser Arbeit wurde ein hexagonaler ePBR (hePBR) entwickelt und charakterisiert, bei dem die Biofilme auf planaren Oberflächen mit variablem Substrat wachsen und von außen mit verschiedenen Lichtwellenlängen beleuchtet werden. Zudem wurde die Untersuchung der Oberflächenadhäsion sowie des Wasserrückhaltevermögens von Biofilmen in einer Strömkammer umgesetzt. Durch Kombination der Strömkammer mit dem hePBR ist so eine umfassende Charakterisierung von Biofilmen im Labormaßstab möglich. Zur Untersuchung der Anwendbarkeit für die Kultivierung phototropher Biofilme wurde das terrestrische Cyanobakterium Coleofasciculus chthonoplastes ausgewählt. Bei Variation der Aerosolversorgung zeigte sich ein Zusammenhang zwischen längeren Trockenphasen und reduzierter Biomassebildung. Im Vergleich zu 24 und 30 ° wurde bei 37 °C weniger Biomasse und dafür mehr EPS gebildet. Das Oberflächensubstrat zeigte kaum einen Einfluss auf die Produktivität, jedoch konnte eine unterschiedlich starke Adhäsion an verschiedenem Material gezeigt werden. Die höchste Biomasse- und Pigmentproduktivität wurde bei Kultivierung bei 30 °C, Beleuchtung mit rotem Licht und kontinuierlicher Aerosolversorgung erzielt. Zusätzlich wurde die heterologe Expression des Photosyntesepigments Phycoerythrobilin in Escherichia coli umgesetzt.
Aktualisiert: 2021-12-30
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Produktive phototrophe Biofilme in Aerosolreaktoren

Produktive phototrophe Biofilme in Aerosolreaktoren von Strieth,  Dorina
Terrestrische Cyanobakterien wurden bislang aufgrund fehlender Kultivierungssysteme als potentielle Produktionsorganismen der Biotechnologie vernachlässigt. Der neuartige emerse Photobioreaktor (ePBR) erlaubt die Kultivierung dieser in ihrer natürlichen Form, immobilisiert auf Oberflächen, als Biofilm eingebettet in einer selbst produzierten Matrix aus extrazellulären polymeren Substanzen (EPS). Im Rahmen dieser Arbeit wurde der ePBR optimiert und charakterisiert sowie ein Downstream-Prozess zur Extraktion der EPS und der Pigmente von nur einer Probe entwickelt, wobei die EPS in ihre Hauptbestandteile (Polysaccharide, Lipide und Proteine) separiert und anschließend deren Zusammensetzung analytisch ermittelt werden können. Zwanzig verschiedene Cyanobakterien wurden im Hinblick auf mögliche Produkte charakterisiert und drei potentielle Produktionsorganismen über eine Nutzwertanalyse ermittelt, deren optimale und tolerierte Wachstumsparameter anschließend bestimmt wurden. Der vielversprechendste Stamm wurde im optimierten ePBR kultiviert, wobei die Auswahl unterschiedlich rauer Substrate keinen Einfluss auf das Biofilmwachstum aufwiesen. Es konnte gezeigt werden, dass das Dickenwachstum des Biofilms, bestimmt mittels optischer Kohärenztomographie (OCT), abhängig ist von der Lichtverfügbarkeit. Des Weiteren verhielt sich das Wachstum antiproportional zur Nährstoffzufuhr und verringerte sich mit steigender Temperatur. Diese Effekte konnten mit einem mathematischen Modell beschrieben und das Modell mit Hilfe eines Versuchs verifiziert werden. Erhöhte Kohlenstoffdioxidkonzentrationen führten zur Wachstumshemmung, wohingegen die Kultivierung mit Rauchgas gleiche Ausbeuten wie mit atmosphärischen Mengen an Kohlenstoffdioxid lieferte, was eine Anwendung zur Abgasreinigung bei simultaner Wertstoffproduktion ermöglicht. Abschließend wurde ein semi-kontinuierlicher Prozess zur Produktion von EPS mit Cyanobakterien entwickelt, bei der die Ausbeute um das 2,5-fache gesteigert werden konnte.
Aktualisiert: 2019-12-27
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