Fermentative Gewinnung von 2,3-Butandiol mit Paenibacillus polymyxa DSM 365:
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München
Verl. Dr. Hut
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INHALTSVERZEICHNIS 1
INHALTSVERZEICHNIS
INHALTSVERZEICHNIS 1
ZUSAMMENFASSUNG 5
1 EINLEITUNG 7
2 ZIELSETZUNG 11
3 THEORETISCHE GRUNDLAGEN 13
3.1 MIKROBIOLOGISCHE BILDUNG VON 2,3-BUTANDIOL 13
3.1.1 2,3-BUTANDIOL ALS EIN PRODUKT DER GEMISCHTEN SAEUREGAERUNG 13
3.1.2 2,3-BUTANDIOLBILDENDE MIKROORGANISMEN 15
3.2 PAENIBACILLUS POLYMYXA UND SEIN INDUSTRIELLES POTENZIAL 16
3.3 EINFLUSSGROEBEN AUF DIE FERMENTATIVE 2,3-BUTANDIOLBILDUNG 17
3.3.1 BEGASUNG 17
3.3.2 SAUERSTOFFVERFUEGBARKEIT IM FERMENTATIONSMEDIUM - A UND
REDOX-POTENZIALE 19
3.3.3 PH-WERT 21
3.3.4 TEMPERATUR 22
3.3.5 FERMENTATIONSMEDIUM UND DER EINFLUSS AUSGEWAEHLTER SUBSTANZEN AUF
DIE
2,3-BUTANDIOLBILDUNG 22
3.3.5.1 KOMPLEXE SUBSTRATE 22
3.3.5.2 HEFEEXTRAKT UND ANDERE KOMPLEXBESTANDTEILE 23
3.3.5.3 MINERALE, SPURENELEMENTE, AMINOSAEUREN UND VITAMINE 24
3.3.5.4 ACETAT 26
3.3.5.5 OBERFLAECHENAKTIVE SUBSTANZEN 27
3.4 LIGNOCELLULOSEHALTIGES MATERIAL ALS SUBSTRAT FUER DIE
2,3-BUTANDIOLFERMENTATION 29
3.4.1 ZUSAMMENSETZUNG UND AUFSCHLUSS DER LIGNOECELLULOSE 29
3.4.2 FERMENTATION LIGNOCELLOLYTISCHER SACCHARAIDE UND HYDRALYSATE 32
3.5 EPS-BILDUNG DURCH PAENIBACILLUS POLYMYXA 34
4 SCHLUSSFOLGERUNGEN AUS DEN LITERATURANGABEN FUER DEN VERSUCHSAUFBAU ZUR
2,3-
BUTANDIOLFERMENTATION MIT PAENIBACILLUS POLYMYXA 37
5 MATERIAL UND METHODEN 39
5.1 ANALYTISCHE METHODEN 39
5.1.1 DETEKTION VON SUBSTRAT- UND PRODUKTKONZENTRATIONEN 39
5.1.2 ELEMENTARANALYTIK MITTELS FLAMMEN-ATOMABSORPTIONSSPEKTROMETRIE
(F-AAS) 40
5.1.3 BESTIMMUNG VON AMMONIUMSTICKSTOFF UND PHOSPHAT 40
5.1.4 ANALYSE PHENOLISCHER MONOMERE 41
5.1.5 BESTIMMUNG DER EXOPOLYSACCHARIDE 42
5.1.6 VISKOSITAETBESTIMMUNG 42
5.1.7 ENZYMPRAEPARATE & AKTIVITAETSBESTIMMUNGEN 43
5.1.8 BESTIMMUNG DES MONOSACCHARIDGEHALTES IN WEIZENSTROH 44
5.1.9 ZELLZAHLBESTIMMUNG UND OPTISCHE DICHTE 44
5.1.10 ERMITTLUNG DER WACHSTUMSRATE 45
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2
INHALTSVERZEICHNIS
5.1.11 TROCKENMASSEBESTIMMUNG 46
5.1.12 VERASCHUNG 46
5.1.13
L
A-WERT-BESTIMMUNG 46
5.1.14 BERECHNUNG DER PRODUKTBILDUNGSRATE, SUBSTRATAUFHAHMERATE,
RAUM-ZEIT-LEISTUNG,
AUSBEUTE UND KONVERSION 47
5.1.15 RUEHRERSPITZENGESCHWINDIGKEIT 49
5.2 MESSWERTDARSTELLUNG UND FEHLERBERECHNUNGEN VON ANALYSEDATEN 49
5.3 MIKROORGANISMEN UND STAMMHALTUNG 50
5.4 KULTIVIERUNGSMEDIEN UND LOESUNGEN 50
5.4.1 HERSTELLUNG DER KULTIVIERUNGSMEDIEN 50
5.4.2 HERSTELLUNG DER SPURENELEMENTELOESUNG 52
5.4.3 HERSTELLUNG DER AMINOSAEURE- UND VITAMINSTAMMLOESUNGEN 52
5.4.4 HERSTELLUNG *VIRTUELLER" HEFEEXTRAKTKONZENTRATIONEN 53
5.5 VORKULTURFUEHRUNG. 54
5.6 KULTURFUEHRUNG IM 50-ML-MASSSTAB 54
5.7 DESIGN OF EXPERIMENTS (DOE) IM 50-ML-MABSTAB 55
5.8 FERMENTATIONSFUEHRUNG IM 1-L-MABSTAB 56
5.9 METHODIK ZUR FERMENTATION LIGNOCELLULOSEHALTIGER SUBSTRATE 57
5.9.1 LHW-PRETREATMENT 57
5.9.2 FERMENTATION DER FESTSTOFFPHASE UND ENZYMATISCHE HYDROLYSE 57
5.10 STERILISATION 58
6 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 59
6.1 MEDIENKOMPONENTEN FLLR DIE FERMENTATION 59
6.1.1 QUALITATIVER UEBERBLICK ZUR NUTZUNG VON SUBSTRATEN RLR DIE
2,3-BUTANDIOLFERMENTATION MIT P. POLYMYXA DSM 365 59
6.1.2 EIGNUNG KOMPLEXER NAEHRSTOFFE FLLR DIE 2,3-BUTANDIOLFERMENTATION
MIT P. POLYMYXA
DSM 365 61
6.1.3 EIGNUNG VERSCHIEDENER STICKSTOFFQUELLEN FLLR DIE
2,3-BUTANDIOLFERMENTATION MIT P.
POLYMYXA DSM 365 64
6.1.4 ACETAT ALS MEDIUMADDITIV ZUR STEIGERUNG DER PRODUKTBILDUNG 65
6.2 PRODUKTINHIBIERUNG DURCH ACETOIN UND 2,3-BUTANDIOL 69
6.3 STEIGERUNG DER 2,3-BUTANDIOLPRODUKTION DURCH P. POLYMYXA DSM 365 IN
FED-BATCH-FERMENTATIONEN 71
6.3.1 EINFLUSS DER RQHRERGESCHWINDIGKEIT UND BEGASUNGSRATE AUF DAS
PRODUKTSPEKTRUM. 71
6.3.2 STEIGERUNG DER 2,3-BUTANDIOLPRODUKTION DURCH EINE ERHOEHTE BEGASUNG
WAEHREND
DER EXPONENTIELLEN WACHSTUMSPHASE 76
6.3.3 EINFLUSS DER TEMPERATUR AUF DIE PRODUKT- UND EPS-BILDUNG 80
6.3.4 VERBESSERUNG DER C
4
-PRODUKTION UND VERRINGERUNG DER VISKOSITAETSPROBLEME BEI
FERMENTATIONEN IM NAEHRSTOFFARMEN KULTURMEDIUM 83
6.3.5 2,3-BUTANDIOLPRODUKTION IN ABHAENGIGKEIT DER KOMPLEXEN
MEDIENKOMPONENTE 86
6.3.6 FAZIT AUS DEN UNTERSUCHUNGEN ZUR STEIGERUNG DER
2,3-BUTANDIOLBILDUNG MIT
P. POLYMYXA DSM 365 IM FERMENTATIONSMASSSTAB 89
6.4 EFFEKTE AUSGEWAEHLTER BESTANDTEILE DES HEFEEXTRAKTES AUF DIE
2,3-BUTANDIOLBILDUNG
VON P. POLYMYXA DSM 365 91
6.4.1 EFFEKT DER NACHFLIHRUNG VON HEFEEXTRAKT IM FED-BATCH-ANSATZ
(50-ML-MASSSTAB). 91
6.4.2 EINFLUSS ANORGANISCHER HEFEEXTRAKTBESTANDTEILE AUF DIE
2,3-BUTANDIOLBILDUNG 92
6.4.3 EINFLUSS ORGANISCHER HEFEEXTRAKTBESTANDTEILE AUF DIE
2,3-BUTANDIOLBILDUNG 97
INHALTSVERZEICHNIS 3
6.4.4 KOMBINIERTE ANREICHERUNG ANORGANISCHER UND ORGANISCHER
HE-BESLANDTEILE IM
SCREENINGMEDIUM 100
6.4.5 FAZIT AUS DEN UNTERSUCHUNGEN ZUM EINFLUSS VON HEFEEXTRAKTBASIERTEN
SUBSTANZEN
AUF DIE PRODUKTBILDUNG 104
6.5 FERMENTATIONEN MIT MODIFIZIERTEM MEDIUM NACH DEN ERKENNTNISSEN AUS
DEN
KAPITELN 6.3 UND 6.4 105
6.3.1 FAZIT AUS DEN UNTERSUCHUNGEN MIT MODIFIZIERTEM FERMENTATIONSMEDIUM
108
6.6 2,3-BUTANDIOLBILDUNG AUS LIGNOCELLULOSEBASICRTEM SUBSTRAT 109
6.6.1 VERGLEICH DER FERMENTATIONEN MIT DEN SUBTRATEN GLUCOSE UND XYLOSE
IM 50-ML-MABSTAB 109
6.6.2 VERGLEICH DER FED-BATCH-FERMENTATIONEN MIT DEN SUBTRATEN GLUCOSE
UND XYLOSE
IM 1-L-MASSSTAB 110
6.6.3 FERMENTATION VON AUFGESCHLOSSENEM WEIZENSTROH 112
6.6.3.1 EINORDNUNG VON HYDROTHERMAL AUFGESCHLOSSENEM WEIZENSTROH ALS
FERMENTATIONSSUBSTRAT 112
6.6.3.2 REDUKTION TOXISCHER SUBSTANZEN AUS DER FESTSTOFFPHASE DES
HYDROTHERMAL
AUFGESCHLOSSENEN WEIZENSTROHS 114
6.6.3.3 FERMENTATION DER FESTSTOFLPHASE VON HYDROTHERMAL
AUFGESCHLOSSENEM
WEIZENSTROH 116
6.6.3.4 FAZIT AUS DEN UNTERSUCHUNGEN ZUR FERMENTATION VON HYDROTHERMAL
AUFGESCHLOSSENEM WEIZENSTROH 120
7 ZUSAMMENFASSENDE DISKUSSION UND AUSBLICK 121
8 LITERATURVERZEICHNIS 129
9 ANHANG 139
A VERZEICHNISSE 139
A.L ABKUERZUNGSVERZEICHNIS 139
A.2 ABBILDUNGSVERZEICHNIS 142
A.3 TABELLENVERZEICHNIS 144
B VALIDIERUNGEN UND VORGEHENSWEISEN 146
B. 1 VALIDIERUNG DER EPS-BESTIMMUNG 146
B.2 VALIDITAET VON FERMENTATIONEN 147
B.3 DARSTELLUNG DER RELATIVEN PRODUKTBILDUNG 148
B.4 DESIGN DER RESPONSE-SURFACE-METHODE 148
C RANDVERSUCHE 149
C. 1 EINFLUSS VON TWEEN80 AUF DIE PRODUKTBILDUNG 149
C.2 EINFLUSS DES PH-WERTES AUF DEN SUBSTRATVERBRAUCH 150
D VEROEFFENTLICHUNGEN IM RAHMEN DER DISSERTATION 151 |
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