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Bioprozessentwicklung filamentöser Pilze anhand automatisierter Morphologieuntersuchung

Freund, Lars-Roland Bruno Walter

Morphologie-gestützt wurde ein reproduzierbares Kultivierungsverfahren für den Basidiomyceten Schizophyllum commune DSM 6320 etabliert. Dazu wurde erstmals die statistische Versuchsplanung zur Beschreibung der Makromorphologie eines Pilzes eingesetzt. Die Morphologieanalyse konnte eingesetzt werden, um die Reproduzierbarkeit in aufeinander aufbauenden Kultivierungsschritten zu überprüfen. Sie wurde in Zusammenhang mit der reproduzierbaren Einstellung weiterer Kultivierungsparameter, z.B. der Biotrockenmasse, gestellt (Struktur-Eigenschafts-Beziehung). Die morphologische Analyse ermöglichte ein frühzeitiges Erkennen von Abweichungen einer definierten Standardkultivierung. Eine Steuerung des Kultivierungsprozesses und ggf. eine Regelung mit der Analyse der Makromorphologie von S. commune wurde somit möglich. Die Mikroskopie zur Bildaufnahme der Pellets von S. commune wurde einschließlich der Auswertung makromorphologischer Parameter erfolgreich automatisiert. Gleichzeitig zur beschleunigten Analyse aller makromorphologischen Parameter wurde dadurch auch eine sehr schnelle Analyse der Pelletkonzentration erzielt, die erfolgreich eingesetzt wurde, um die Biotrockenmassekonzentration abzuschätzen. Diese konnte über den gesamten Kultivierungsverlauf in grundverschiedenen Kultivierungen ausschließlich mittels morphologischer Parameter dargestellt werden. Eine aufwendige gravimetrische Bestimmung der Biotrockenmassekonzentration kann damit für gut charakterisierte und reproduzierbare Kultivierungsprozesse entfallen. Anhand eines Beispiels wurde gezeigt, dass auch die Konzentration des Polysaccharids mit Hilfe der Morphologie berechnet werden kann. Die Morphologie von S. commune wurde durch Medienzusätze erfolgreich verändert. Das Ziel, dadurch die Raum-Zeit-Ausbeute zu steigern, wurde durch Zugabe von Talkpartikeln erreicht. Im Vergleich mit einem S. rolfsii-Stamm wurde gezeigt, dass der Effekt stammabhängig auftrat. Die Morphologie konnte zum Erreichen einer maximalen Raum-Zeit-Ausbeute gezielt auch mittels Optimierung der Homogenisierung und der Biotrockenmassekonzentration bei Beimpfen eingestellt werden. Es wurden Struktur-Eigenschafts-Beziehungen für verschiedene Kultivierungsschritte beschrieben. Die höchste auf das Pelletvolumen bezogene Menge an Polysaccharid wurde von Pellets mittlerer Größe und höherer Biomassedichte gebildet. Bei Zunahme der Pelletgröße ging die pelletvolumen-spezifisch gebildete Menge an Polysaccharid zurück.

A reproducible cultivation of basidiomycota Schizophyllum commune DSM 6320 was developed by the analysis of its morphology. For this, the design of experiments approach could be used for the first time to describe the macromorphology of a fungus. Applying morphology analysis lead to validation of reproducibility of the cultivation process in all cultivation steps based on each other. In addition, morphology was correlated to cultivation parameters as bio dry cell weight (bdw) throughout different cultivation steps and phases. Analysis of morphology enabled an early detection of deviations from normal/reproducible status of the cultivation. Therefore, control and adjustment of the cultivation process by macromorphological analysis of S. commune became practicable. Microscopy and image capturing of pellets could be successfully automated including a fully computerized image evaluation system for the parameters of macromorphology. Simultaneously, to accelerated analysis of all macromorphological parameters, a very fast detection of pellet concentration was enabled by this system and successfully used to estimate bdw. Bdw became predictable by morphological parameters solely throughout different cultivation processes. Thus, it became clear that laborious gravimetric analysis of bdw is omittable for reproducible cultivation processes well characterized. In addition, concentration of polysaccharide was calculated by morphological parameters. Medium supplements successfully altered morphology of S. commune. By adding talc microparticles the aim to increase space-time yield could be reached. In comparison to S. rolfsii it could be shown that the effect of talc microparticles was strongly strain dependent. By optimizing homogenization and bio dry cell weight at inoculation, the morphology of S. commune tailor-made to reach maximum space-time-yield of polysaccharide. Structure-property correlations were identified in different steps of cultivation. Medium-sized pellets of high bio dry cell weight density formed the highest amount of polysaccharide with regard to volume of pellet. With an increase of pellet size, the amount of polysaccharide secreted per pellet-volume decreased.

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