Maßstabsverkleinerung von Sauerstoffversorgung in der Bioprozessentwicklung mit Corynebacterium glutamicum

Corynebacterium glutamicum has large-scale industrial applications in the production of amino acids, e.g. L-lysine, and serves as a platform organism for new products. Challenges arise because production scales for biological bulk products often reach reactor working volumes of several hundred cubic meters, while strain evaluation and process development is based on lab scale assessments. Oxygen supply is a frequent driver of scaling complications. This dissertation introduces scale-down methods for oxygen transfer assessments, and demonstrates them on C. glutamicum ATCC13032 (wildtype) and DM1933 (L lysine producer). The first topic of this work is the development of an oxygen transfer screening in a down-scaled microtiter plate format. The method is demonstrated by characterizing the impact of oxygen supply limitation on process yields, side product secretion, and growth behavior in a batch process. High process robustness against oxygen supply limitation is observed, and optimal supply conditions are identified. The second topic is the application of established two-compartment scale-down setups for analysis of inhomogeneous oxygen supply in fed-batch environments. The studies demonstrate a remarkable robustness of C. glutamicum against oscillating oxygen and substrate availability, and expose some of the mechanisms which underlie the metabolic flexibility, e.g. intermediate side product formation/reabsorption between reactor zones. Multi-omics analysis is performed to gain a deeper understanding of the physiological properties behind inhomogeneity resistance. Application of the presented methods has demonstrated that C. glutamicum is highly adjusted to oxygen transfer limitation in homogeneous and inhomogeneous process environments, which is an asset for industrial commodity bioprocess development. Going forward, a model workflow is proposed to apply the established scale-down methods for other aerobic bioprocess developments, which could improve the resulting process performance and minimize risks for failure during scale-up.Corynebacterium glutamicum wird zur industriellen Aminosäureproduktion eingesetzt, z.B. für L-Lysin, und dient als Platform-Organismus für weitere Produkte. Bioprozesse können einen Maßstab von mehreren hundert Kubikmetern erreichen. Den Ausgangspunkt bilden jedoch Versuche im Labormaßstab, was zu Komplikationen führen kann. Einer der maßgeblichen Faktoren ist Sauerstoffversorgung. Diese Dissertation führt Methoden zur Maßstabsverkleinerung für die Untersuchung von Sauerstoffversorgung ein, und demonstriert sie an den Stämmen C. glutamicum ATCC13032 (Wildtyp) und DM1933 (L-Lysin Produzent). Das erste Element dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Sauerstofftransfer-Screenings im maßstabsverkleinerten Mikrotiterplattenformat. Es erfolgt eine Charakterisierung des Einflusses von Sauerstofflimitation auf Prozessausbeuten, Nebenproduktbildung und Wachstumsverhalten im Batch-Prozess. Eine hohe Prozess-Robustheit gegen Sauerstofflimitation wird festgestellt, und optimale Versorgungsbedingungen werden identifiziert. Als zweites Thema werden etablierte Zweikompartiment-Reaktoren für Maßstabsverkleinerung inhomogener Sauerstoff- und Substratversorgung in Fed-Batch Prozessen angewendet. Im Ergebnis zeigt C. glutamicum eine hohe Robustheit bei oszillierender Sauerstoff- und Substratverfügbarkeit. Zugrundeliegende Mechanismen werden offengelegt, z.B. Bildung und Wiederaufnahme von Nebenprodukten in einzelnen Reaktorzonen. Multi-Omics Analysen liefern dazu tiefere Einblicke in die Grundlagen dieser Robustheit. Die präsentierten Methoden zeigen, dass C. glutamicum stark an Sauerstofflimitation und inhomogene Prozessbedingungen angepasst ist. Dies stellt einen Vorteil für die Anwendung in Bioprozessen von großem Maßstab dar. Für die Zukunft wird ein Modellprozess zur Verbesserung aerober Bioprozessentwicklung vorgeschlagen, der Maßstabsverkleinerungen einschließt. Dies kann zur Verbesserung der Performance neuentwickelter Bioprozesse führen, und die Risiken für Fehlschläge bei der Maßstabsvergrößerung minimieren