Feststofffermentation von Weißfäulepilzen - Untersuchungen und Modellierung des Wachstumsprozesses
Final Report Abstract
In dem vorgestellten Projekt wurde das Wachstum des Basidiomyceten Trametes hirsuta in heterogenen Feststoffsystemen untersucht, quantifiziert und simuliert. Basidiomyceten, produzieren eine Vielzahl verschiedenster technisch relevanter Enzyme auf Basis von nachwachsenden Rohstoffen. Eine dafür geeignete Kultivierungsmethode ist die Feststofffermentation (solid-state fermentation, SSF). Die wirtschaftliche Führung der SSF höherer Pilze, sowie deren Auslegung und Optimierung, erfordert zunehmend Kenntnisse über kinetische Modelle. Ein elementarer Parameter für die Bilanzierung und Bewertung von Produktionserfolgen ist hierbei die Biomassekonzentration. Jedoch gestaltet sich die Quantifizierung pilzlicher Biomasse in der SSF als schwierig, da der Pilz in das Substrat einwächst und dieses als Nähstoffquelle benutzt. Eine Separation von Pilzmycel und Substrat und somit eine gravimetrische Bestimmung der Biomasse ist nicht möglich. Im Rahmen des Projekts wurden aus diesem Grund elf verschiedene Biomassebestimmungsmethoden bezüglich ihrer Eignung für die Biomassequantifizierung von Basidiomyceten in der SSF verglichen und optimiert. Sechs Methoden basierten auf der Bestimmung von Zellkomponentengehalten (Ergosterol, Glucosamin, Nukleinsäure, Zellkernanzahl, Protein, genomische DNA), die restlichen Methoden basierten auf der Analyse der biologischen Aktivität (Respiration, Enzymproduktion, Protein- und Glucosegehalt der Flüssigphase), zusätzlich erfolgte eine Substratanalyse. Bei den Untersuchungen konnten teilweise starke Abhängigkeiten von der Kultivierungstemperatur, dem Substrat und dem Mycelalter auf den Gehalt der Zellkomponenten oder auf die biologische Aktivität beobachtet werden, wobei der Einfluss von Temperatur und Mycelalter durch mehrere Kalibriergeraden gut gehandhabt werden kann. Beim direkten Vergleich bzgl. Plausibilität und Reproduzierbarkeit der Ergebnisse, Zeit-, Energie- und Kostenfaktor, sowie Einflussfaktoren und Matrixeffekten, konnten die Biomassemethoden basierend auf der Bestimmung des Ergosterolgehalts und der Zellkernanzahl mittels Durchflusszytometrie, ein Verfahren entwickelt am Institut für Lebensmittel- und Bioverfahrenstechnik der TU Dresden und optimiert für die Anwendung in heterogenen Festphasensystem im Rahmen dieses Projekts, die besten Ergebnisse erzielen. Ebenfalls geeignet war die Messung der respiratorischen Aktivität, hier konnte eine direkte Biomassequantifizierung für sterile Monokulturen während der Wachstumsphase erfolgen. Beim Übertritt in die stationäre Phase ist diese Methode, wie auch die Bestimmung der lignolytischen Enzymaktivität, nur noch als relativer Biomasseindikator geeignet. Des Weiteren wurde die Strukturbildung im mikroskopischen Maßstab bei unterschiedlicher Nährstoffverfügbarkeit untersucht. Dazu wurde T. hirsuta auf Kieselgelplatten bei variierenden Konzentrationen der Kohlenstoffquelle (Glucose) und der Stickstoffquelle (Ammoniumtartrat) kultiviert. Der Einfluss der Nährstoffkonzentrationen konnte erfolgreich dokumentiert werden, bei dem vor allem die Verfügbarkeit der Kohlenstoffquelle sich signifikant auf das Wachstum und die Struktur der Hyphen auswirkt. Mit Hilfe eines agenten-basierten Modells, ebenfalls entwickelt am Institut für Lebensmittel- und Bioverfahrenstechnik für Hairy Roots durch Lenk (2014), konnte eine qualitative Simulation der Strukturbildung erfolgen. Eine Simulation des Biomassewachstums im Feststoffreaktor war nach vereinfachenden Annahmen ebenfalls erfolgreich möglich.
Publications
- (2012) Biomassebestimmung von Weißfäulepilzen im Feststoffbioreaktor. BIOspektrum, 18 (6), 673-675
Frömmel S, Böhmer U, Bley Th
- (2014) Biomass Measurement by Flow Cytometry during Solid-State Fermentation of Basidiomycetes. Cytometry Part A
Steudler S, Böhmer U, Weber J, Bley Th
(See online at https://doi.org/10.1002/cyto.a.22592) - (2015 ) Better One-Eyed than Blind – Challenges and Opportunities of Biomass Measurement during Solid-State Fermentation of Basidiomycetes. Chapter in: Krull R., Bley T. (eds) Filaments in Bioprocesses pp 223-252, … Part of the Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology book series (ABE, volume 149)
Steudler S, Bley Th
(See online at https://doi.org/10.1007/10_2014_30) - (2015) Biomass Estimation during Macro-Scale Solid-State Fermentation of Basidiomycetes using Established and Novel Approaches. Bioprocess and Biosystems Engineering
July 2015, Volume 38, Issue 7, pp 1313–1323
Steudler S, Bley Th
(See online at https://doi.org/10.1007/s00449-015-1372-0)
