Development and mathematical modeling of a novel bioprocess involving a defined microbial community
Final Report Abstract
Mikroorganismen treten in unserer Umwelt fast nie in Reinkultur sondern in Koexistenz mit anderen Mikroorgansimen auf wie z.B. in Biofilmen. Um das Verständnis von diesen hoch diversifizierten Mischkulturen zu verbessern, müssen definierte Mischkulturen unter Laborbedingungen etabliert werden. Dies wurde in diesem Projekt erfolgreich umgesetzt, indem ein anaerober Glycerinvergärer und ein Methanogener in einem Reaktor kultiviert wurden. Glycerinvergärer wie Klebsiella pneumoniae produzieren aus Glycerin neben dem Hauptprodukt 1,3-Propandiol auch immer das Nebenprodukt Essigsäure. Diese kann von Methanosarcina spec. zu dem Energieträger Biogas umgesetzt werden. Die große Herausforderung stellen hier die starken Unterschiede in den Wachstumsraten dar; so wächst der Glycerinvergärer etwa 20mal schneller als der Methanogene. Um eine Satzkultur zu ermöglichen, wurde deswegen Methanosarcina spec. zunächst auf einem Methanol/Essigsäure-Gemisch angezogen. Der Vorteil dieser Methode besteht darin, dass die Kultur zum einen schnell wächst – wegen der Kohlenstoffquelle Methanol – und zum anderen ohne Umgewöhnungsphase die Essigsäure verbraucht, die von dem Glycerinvergärer produziert wird. Auf diese Art und Weise konnte die Batch-Kultivierung dieser beiden Organismen erfolgreich etabliert werden. Ebenfalls umgesetzt wurde die kontinuierliche Fermentation beider Organismengruppen, bei der in Abhängigkeit der Versuchsparameter ein vollständiger Essigsäureumsatz zu Methan erreicht werden konnte. Erstrebenswert ist hier die Anwendung eines Membranreaktors zur räumlichen Trennung der Zellen in einem Reaktor, der Kommunikation zwischen den Bakterien, aber auch die separate Analyse der Zellen erlaubt. Während die Anwendung einer sterilen, definierten Mischkultur für industrielle Prozesse insbesondere aus regelungstechnischen Gründen nur schwer umzusetzen ist, ist die Etablierung einer solchen Kultur wichtig für das Verständnis von unsterilen, undefinierten Mischkulturen. Diese wurde inzwischen auch erfolgreich erzielt.
Publications
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(2010) Biosystems analysis and engineering of microbial consortia for industrial biotechnology. Engineering in Life Sciences, 10, 407-421
Wael Sabra, David Dietz, Donna Tjahjasari and An-Ping Zeng
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(2010). Metabolic modelling of syntrophic-like growth of a 1,3-propanediol producer Clostridium butyricum and a methanogenic archeon Methanosarcina mazei under anaerobic conditions. Bioprocess and Biosyst. Eng. 33:507-523
M. Marcin Bizukojc, David Dietz, Jibin Sun, An-Ping Zeng
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(2011) Production of 1,3-propanediol by Clostridium butyricum growing on biodiesel-derived crude glycerol through a non-sterilized fermentation process. Appl. Microbial. Biotechnol.
Afroditi Chatzifragkou, Seraphim Papanikolaou, Agapi I. Doulgeraki, George-John E. Nychas and An-Ping Zeng
