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dc.contributor.advisorNeubauer, Peter-
dc.contributor.authorLemoine, Anja Irene-
dc.date.accessioned2017-09-04T15:38:46Z-
dc.date.available2017-09-04T15:38:46Z-
dc.date.issued2017-
dc.identifier.urihttp://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/6692-
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6133-
dc.description.abstractCorynebacterium glutamicum is a microorganism which is highly relevant for industrial large scale applications. Nowadays, it is mainly used for amino acid production in the food and feed industry in a scale of several hundred cubic meters. Furthermore, it is a promising candidate for the production of bulk chemicals such as the biopolymer precursor Cadaverine. Gradient formation occurs in industrial bioprocesses, due to a limited power input in these large scale reactors. Multi compartment reactors are used to mimic zone formation in the laboratory and study the impact on the process performance. In this thesis the physiological response of C. glutamicum was studied in a Two- and novel Three-compartment reactor, consisting of a stirred tank reactor connected to either one (Two-CR) or two plug flow reactor modules (Three-CR). This enables the observation of distinct zones which appear in aerobic nutrient limited fed-batch processes. In the Three-CR cultivation a third zone is studied additionally to zones of substrate excess/oxygen limitation and substrate limitation/oxygen excess, which is characterized by substrate and oxygen limitation. In both plug flow reactor modules L-lactate and succinate were synthesized under oxygen limitation. While these byproducts were completely re-assimilated in the aerated STR in the Two-CR cultivation, the concentration in the Three-CR cultivation was increasing. However, growth was not influenced and product formation was only slightly decreased, so that C. glutamicum seemed to be robust against the oscillations of oxygen and substrate availability. While these experiments were performed in mineral salt media, a second set of experiments was performed in complex media based on sucrose, beet molasses and corn steep liquor, based on a formulation which is applied in industry. There, drastic changes in growth, product and byproduct formation were observed in scale-down cultivations. Growth was accelerated and product accumulation was reduced after 10 hours of feeding time, while several organic acids were accumulated, among them pyruvate, succinate, L-lactate, and acetate. Possibly nitrate respiration occurred which lead to an accumulation of nitrite. The protein and metabolite concentrations in the heterogeneous cultivations indicate the induction of stringent response and catabolite repression. Furthermore, the cell size distribution of C. glutamicum was changed and increased agglomeration was observed off line and additionally in situ using a laser light based back-reflection sensor.en
dc.description.abstractCorynebacterium glutamicum wird heutzutage vorwiegend für die Aminosäuresynthese in der Lebens- und Futtermittelindustrie verwendet. Zudem ist C. glutamicum ein vielversprechender Kandidat für die Herstellung von Chemikalien wie des Biopolymervorläufers Cadaverin. Die Aminosäuren L-Lysin und L-Glutamat werden in biotechnologischen Prozessen in Reaktoren von mehreren hundert Kubikmetern industriell produziert. Erhöhte Mischzeiten in diesen Großreaktoren verglichen zum Labormaßstab führen zu einer heterogenen Verteilung von beispielsweise Sauerstoff und Substrat, es entsteht ein Gradient im Reaktor. Verschaltete Reaktoren mit unterschiedlichen Kompartimenten werden verwendet, um diese Zonenbildung im Labor zu imitieren und die Auswirkungen auf den Prozess zu untersuchen. In der vorliegenden Arbeit wurde die physiologische Antwort von C. glutamicum in einem Zwei- und Drei-Kompartimenten-Reaktor untersucht. Dieser besteht aus einem Rührkesselreaktor, der entweder mit einem (Zwei-KR) oder zwei Strömungsrohrreaktormodulen (Drei-KR) verbunden ist. Der Reaktoraufbau ermöglicht die Beobachtung von verschiedenen Zonen, die in aeroben Fed-Batch-Verfahren auftreten. Im Rührkesselreaktor entsteht eine Zone mit Substratlimitierung und Sauerstoffüberschuss, im Strömungsrohrreaktor eine Zone mit Substratüberschuss und Sauerstofflimitierung. Dazu kommt im Drei-KR eine dritte Zone in dem zweiten Strömungsrohrreaktor, welche durch Substrat- und Sauerstofflimitierung gekennzeichnet ist. In beiden Strömungrohrreaktoren wurden L-Laktat und Succinat unter Sauerstofflimitierung synthetisiert. Während diese Nebenprodukte in dem belüfteten Rührkesselreaktor des Zwei-KR wieder aufgenommen wurden, nahm die Konzentration in der Drei-KR-Kultivierung zu. Allerdings war das Wachstum der Bakterien nicht beeinflusst und die Produktbildung wurde nur geringfügig verringert, so dass C. glutamicum gegen Oszillationen der Sauerstoff- und Substratverfügbarkeit robust zu sein schien. Für weitere Experimente wurde von Mineralsalzmedium auf komplexes Medium auf der Basis von Saccharose, Rübenmelasse und Maisquellwasser gewechselt, wie es in der Industrie Anwendung findet. Bei diesen Experimenten wurden Veränderungen im Wachstum und bei der Produktausbeute festgestellt. Die Wachstumsrate und die Produktbildung brachen nach 10 Stunden Fütterungszeit ein, während organische Säuren akkumulierten, darunter Pyruvat, Succinat, L-Lactat und Acetat. Eine mögliche Ursache ist die Umstellung des Organismus auf Nitrat-Atmung, welche zur Erhöhung der Nitritkonzentration im Medium führt. In Proteom- und Metabolomstudien wurden zudem Hinweise auf Stressantworten im Zusammenhang mit Nährstofflimitierung und Katabolitrepression beobachtet. Des Weiteren konnte die Agglomeration von Zellen unter oszillierenden Bedingungen festgestellt werden. Diese wurde durch die Veränderung der Zellgrößenverteilung off line und in situ, unter Verwendung eines Laser basierten Sensors, beobachtet.de
dc.language.isoenen
dc.subject.ddcDDC::600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeitenen
dc.subject.otherCorynebacterium glutamicumen
dc.subject.otherheterogeneityen
dc.subject.otherscale downen
dc.subject.otherbioprocessen
dc.subject.otherHeterogenitätde
dc.subject.otherBioprozessde
dc.titleImpact of oscillations in substrate and oxygen availability on Corynebacterium glutamicum cultivationsen
dc.typeDoctoral Thesisen
tub.publisher.universityorinstitutionTechnische Universität Berlinen
dc.contributor.grantorTechnische Universität Berlinen
dc.contributor.refereeNeubauer, Peter-
dc.contributor.refereeMeyer, Vera-
dc.contributor.refereeOldiges, Marco-
dc.date.accepted2017-06-13-
dc.rights.otherTerms of German Copyright Lawen
dc.title.translatedEinfluss von Oszillationen in der Substrat und Sauerstoffverfügbarkeit auf Kultivierungen von Corynebacterium Glutamicumen
dc.type.versionacceptedVersionen
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