Titelaufnahme

Titel
Entwicklung eines definierten Kultivierungsmedium & Fermentationsstrategien für Sulfolobus
Weitere Titel
Development of a defined cultivation medium & fermentation strategies for Sulfolobus
AutorInnenGlatzel, Holger
Begutachter / BegutachterinMaurer, Michael
Erschienen2017
Datum der AbgabeSeptember 2017
SpracheEnglisch
DokumenttypMasterarbeit
Schlagwörter (DE)Sulfolobus acidocaldarius / Medienentwicklung / definiertes Medium / Bioreaktor Kultivierung / Wachstum auf Abfall-Medien
Schlagwörter (EN)Sulfolobus acidocaldarius / media development / defined medium / bioreactor cultivation / growth on waste-media
Zugriffsbeschränkung
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Klassifikation
Zusammenfassung (Deutsch)

Die folgende Arbeit wurde in zwei größere Abschnitte untergliedert. Der erste umfasst die Entwicklung eines neuartigen definierten Mediums für die Kultivierung von S. acidocaldarius. Der zweite Abschnitt beinhaltet die Fermentation von S. acidocaldarius in einem Glas-Bioreaktor. Im Anhang dieser Arbeit werden zusätzlich Experimente mit einem komplexen Medium diskutiert, ob S. acidocaldarius auf Medien aus Industrieabfällen, wie der Papier- oder Pflanzenindustrie, wachsen kann. Diese Medien wurden aus unterschiedlichen Rohstoffen extrahiert.

Die Kultivierung des thermo-acidophilen Archaeon Sulfolobus wird sowohl im Labor- als auch im Bioreaktormaßstab mithilfe des Brock-Mediums durchgeführt. Dieses enthält wichtige Salze und Spurenelemente, eine Kohlenstoffquelle aus einfachen oder langkettigen Zuckern sowie einen komplexen Anteil aus Hefeextrakt, Trypton oder auch NZ-Amine als Stickstoffquelle. Trotz des guten Wachstums auf diesem komplexen Medium wird der Bedarf für ein neues und definiertes Medium immer größer. Der stetig wachsende Einfluss von extremophilen Mikroorganismen in der Forschung, der Industrie oder der Biotechnologie führt zu steigenden Anforderungen an die Qualität von Produkten und verbesserten Herstellungsprozessen. Diese Anforderungen entsprechen den Guidelines und Richtlinien für biologische Produkte, welche Anwendung in der Pharmazie oder der Lebensmittelbranche finden sollen. Definierte Prozessbedingungen und reproduzierbare Ergebnisse sind gleichermaßen wichtig wie die Verringerung von Abweichungen zwischen einzelnen Batches oder der Reduzierung von Verunreinigungen.

Durch die Ergebnisse dieser Arbeit und der Ausarbeitung eines wissenschaftlichen Papers konnte ein neues Medium für die Kultivierung von S. acidocaldarius entwickelt werden. Die Wachstumsgeschwindigkeit ist dem des Brock-Mediums ähnlich. Die nun bekannten Medienbestandteile ermöglichen weitere Einsatzmöglichkeiten dieses Archaeon. Die Versuche im Bioreaktor konnten zeigen, dass S. acidocaldarius erstmalig fermentiert werden konnte. Akzeptable Zelltrockenmassen konnten erreicht und kritische Parameter identifiziert werden.

Die gewonnenen Kenntnisse der Fermentation können gemeinsam mit dem definierten Medium zu neuen wissenschaftlichen Durchbrüchen führen. Dadurch kann die Implementierung von S. acidocaldarius als Modellorganismus in der Forschung und für zukünftige Anwendungen in der Biotechnologie beschleunigt werden.

Zusammenfassung (Englisch)

Fermentation strategies and cultivation conditions of Sulfolobus are currently mainly realized with the state of the art Brock medium, which contains different carbon sources such as carbohydrates and complex components, like yeast extract, tryptone or NZ-amine. To integrate new microorganisms in the (biotechnological) industry, guidelines need to be fulfilled to use the (bio-) products for pharmaceutical or food industry. To generate high product quality, well known processes, low variations and optimized settings are indispensable for coming future fermentations. One of the main problems with undefined media are unknown impurities or metabolites. With these, research for nutrient requirements or basic metabolism research is aggravated. The batch to batch variations are too high and the results in no compliance with regular requirements. The goal of this thesis is to develop a new defined cultivation medium for Sulfolobus acidocaldarius for further studies and fermentations under defined conditions to optimize process settings. The medium should not contain unknown components to reduce the batch to batch variations and enable basic research studies and biotechnological applications with S. acidocaldarius as model organism to fulfill the requirements with increased process knowledge.

In this thesis, the defined medium was developed by exchanging the component NZ-amine of the Brock medium with different combinations and concentrations of amino acids, organic acids and vitamins. The results of optical density measurements and duration of lag-phases were compared with the standard Brock medium. A bioreactor setup with a microfiltration technique and variations of stirrer speed, airflow, feed components and feed rates was tested. The critical control points (CCPs) should be found with the highest impact on the growth of S. acidocaldarius. In additional experiments waste media were tested in different dilutions or with added defined components or inhibitors to investigate growth characteristics of complex media from industry waste. The results of this thesis showed the successful development of a defined medium for the cultivation and the first fermentation of S. acidocaldarius in a bioreactor so far. The exchange of NZ-amine with a combination of amino acids and organic acids resulted in similar growth characteristics like the Brock medium. The lag-phase lasted 30 hours with the defined medium (maximal OD600~3.0) compared to 20 hours with Brock medium (maximal OD600~1.8). The fermentation showed an acceptable growth and a promising microfiltration technique to increase the cell dry weight up to 25 g/L. The growth on a waste medium was successful in small dilutions or with added components of the developed defined medium and acetate was determined as inhibitor in concentrations >75 mg/L for S. acidocaldarius in one of the waste media which contained 1.75 g/L acetate.