Untersuchung des Prozessverhaltens von produktiven Biofilmen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Während der Durchführung des Projektes wurde ein Kultivierungssystem für L. lactis Biofilme entwickelt, welches es ermöglicht, mikroskopische Messungen am lebenden Biofilm auf nicht invasive Weise durchzuführen. Dazu wurden Verbesserungen an der Durchflusszelle entwickelt, die es nun erlauben, online über den gesamten Wachstums- und Produktionszeitraum des Biofilms Messungen in Bezug auf diffusiven Stofftransport mittels FRAP, sowie parallel dazu pH-Wert und Stoffkonzentrationen von Substraten und Produkten aufzunehmen. Zu diesen Verbesserungen zählen eine strömungsoptimierte Kammerform der Durchflusszelle, ein Farbstoffeinlass, der es ermöglicht, den Biofilm direkt mit dem Farbstoff zu beschicken und eine Halterung für die DFZ, um eine wiederholbare Positionierung der DFZ unter dem Objektiv zu erreichen. Auf dieser Basis konnte eine FRAP-Methode entwickelt werden, mit der Kinetiken von Molekülen < 4 kDa, in diesem Fall FITC-Dextran 4k und Uranin, aufgenommen werden konnten, die als Grundlage für ein Diffusionsmodell dienten. Dabei wurde die Methode soweit weiterentwickelt, dass nun auch von außen nicht beeinflussbare Phänomene, die in den mikroskopischen Aufnahmen beobachtet wurden und die sich störend auf die Schätzung des Diffusionskoeffizienten auswirken könnten, mitberücksichtigt werden. Das führte zu verbesserten Schätzwerten gegenüber der ursprünglichen Axelrod/Soumpasis-Methode. Mittels weiterer Kultivierungen unter verschiedenen Bedingungen wurde das Modell weiter optimiert und validiert. Hiermit konnte das Diffusionsverhalten innerhalb eines lebenden Biofilmes über eine ganze Kultivierung beobachtet werden. Die hier entwickelten Methoden erlauben es, einen tieferen Einblick in das Prozessverhalten des Biofilms während seine Wachstums- und Produktionsphase zu gewinnen. Diese Informationen können genutzt werden, um die Produktausbeute durch die Optimierung der Wachstumsbedingungen zu steigern.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2016). Transport phenomena in biofilms. BioComp Progress Seminar 2016, Münchweiler/Alsenz, Deutschland
Chodorski J., Hauth J., Schlegel C., Wirsen A., Ulber R.
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(2017). Investigating the process behaviour of productive biofilms, DECHEMA Jahrestagung Neu-Ulm, Deutschland
Chodorski J., Hauth J., Wirsen A., Ulber R.
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(2018) Modellierung von Diffusionsprozessen in lebenden Biofilmen. ProcessNet-Jahrestagung und 33. DECHEMA-Jahrestagung der Biotechnologen, Aachen, Deutschland
Chodorski J., Hauth J., Wirsen A., Ulber R.
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(2018). Process behavior of productive biofilms. Biofilms 8, Aarhus, Dänemark
Chodorski J., Hauth J., Wirsen A., Ulber R.
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(2019). Diffusion in biofilms: A novel method for spatio-temporal assessment of diffusion constants. DECHEMA Jahrestagung Hamburg, Deutschland
Chodorski J., Hauth J., Wirsen A., Ulber R.
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2020. Improved FRAP Measurements on Biofilms, Biophysical Journal
Hauth J., Chodorski J., Wirsen A., Ulber R.
