Alginate production by mutants of Azotobacter vinelandii: advanced strategies for cultivation under microaerophilic conditions and overpressure
Final Report Abstract
Während der Projektlaufzeit konnte aus den von den mexikanischen Partnern zur Verfügung gestellten Stämmen von A. vinelandii der molekularbiologisch veränderte Stamm AT9 als vielversprechender Stamm, identifiziert werden. Der Stamm AT9 unterscheidet sich von dem Wildtypstamm ATCC9046 insbesondere durch die Produktion von höhermolekularem Alginat. Durch Anpassungen in der Kultivierungsmethodik konnte die Reproduzierbarkeit der Versuchsergebnisse im Schüttelkolben deutlich erhöht werden. Für die Alginatproduktion im Schüttelkolbenmaßstab konnte ein Betriebsfenster identifiziert werden, welches sich bei maximalen Sauerstofftransferkapazitäten von 6-10 mmol/L/h befindet und ein optimiertes Verhältnis zwischen Biomassewachstum als auch Alginatbildung gewährleistet. Es konnte gezeigt werden, dass die Verwendung von Hefeextrakten unterschiedlichen Fabrikats die Alginatproduktion stark beeinflusst (Schwankung z.B. der Viskosität um das bis zu 30-fache). Wie bei eigenen Arbeiten vor wenigen Jahren mit E. coli in einem gänzlich anderen Zusammenhang wurden deutliche Unterschiede bei verschiedenen Chargen des gleichen Herstellers gefunden. Es wurde gezeigt, dass sich die Zugabe von Kupfersulfat, Cystein und Glutamat positiv auf die Alginatproduktion unter Verwendung von Hefeextrakten auswirkt, die ohne Supplementierung zu schlechten Alginatausbeuten führen. Im Schüttelkolbenmaßstab wurde erfolgreich ein neuartiges Messsystem zur Online-Messung der Viskosität zur Anwendung gebracht, das zukünftig zeitaufwendige Offline-Analysen ersetzen kann. Während der Experimente konnte festgestellt werden, dass die Begasung des Kolbens signifikanten Einfluss auf die Atmungsaktivität und die Alginatproduktion hat. Die Auswertung von Messdaten aus insgesamt 103 Kultivierungen (51 verschiedene Bedingungen) mit verschiedenen Kultivierungsbedingungen ergab eine klar inverse Korrelation der Viskosität mit dem akkumulierten Sauerstoffverbrauch der Kultivierungen. Dies ermöglicht eine Bewertung einzelner Bedingungen bezogen auf ihre Alginatbildung anhand von Online-Messdaten ohne Offline-Messungen durchführen zu müssen. Es erfolgte ein erster Transfer der Fermentation des Stammes AT9 in einen Laborfermenter. Die Reproduktion der Ergebnisse aus dem Schüttelkolben war nur bedingt möglich, insb. die Viskosität war 15-fach niedriger als im Kolben. Unter Zuhilfenahme der Ergebnisse aus Schüttelkolbenversuchen konnten kritische Parameter für die Alginatproduktion wie Begasungsrate und Leistungseintrag identifiziert werden. Die erlangten Ergebnisse führen zu einem besseren Prozessverständnis. Das große Potential als auch die dringende Notwendigkeit einer Medienoptimierung wurde aufgezeigt und bietet Ansatzpunkte für weitere Forschungsarbeiten.
Publications
- (2020). "Molecular weight and viscosifying power of alginates produced by mutant strains of Azotobacter vinelandii under microaerobic conditions." Biotechnology Reports 26
García, A., Castillo, T., Ramos, D., Ahumada-Manuel, C. L., Núñez, C., Galindo, E. et al.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.btre.2020.e00436)
