Fed-Batch-PHB-Produktion aus Glycerin mit dem LAMBDA Minifor Fermenter-Bioreactor

Polyhydroxybutyrat (PHB) ist ein biologisch abbaubarer Biokunststoff, der intrazellulär von vielen Bakterienarten bei einem Kohlenstoffüberschuss unter Stickstoffmangelbedingungen produziert wird. Aufgrund seiner biologischen Abbaubarkeit und seiner mit herkömmlichen Kunststoffen vergleichbaren Materialeigenschaften wird PHB intensiv als nachhaltige Alternative zu erdölbasierten Polymeren erforscht. In einer kürzlich an der Universidad Autónoma Metropolitana (Mexiko) durchgeführten Studie untersuchten Forscher die PHB-Produktion aus Glycerin, einem wichtigen Nebenprodukt der Biodieselproduktion, mittels kontrollierter Fed-Batch-Fermentation. Ziel war die Bewertung der PHB-Produktionsleistung unter genau definierten und reproduzierbaren Prozessbedingungen. Um eine stabile Kultivierung und präzise Umweltkontrolle zu gewährleisten, wurden die Experimente mit dem LAMBDA Minifor Laborfermenter durchgeführt. 

Referenz: León Santiesteban, HH, Aguirre Aguilar, J., Beltrán, D. Á., Contreras Larios, JL, Reyes Chilpa, R., García Martínez, JC, & González Brambila, MM (2026). Bioplastic Production in Circular Economy Paths with Glycerol and Whey. Catalysts, 16(2), 178. doi.org/10.3390/catal16020178

Verwendung des LAMBDA Minifor Fermenters

Der LAMBDA Minifor Fermenter wurde als primärer Bioreaktor für die Kultivierung von Bacillus megaterium und Bacillus subtilis, zwei bekannten PHB-produzierenden Mikroorganismen, verwendet. Jeder Stamm wurde separat unter identischen Fed-Batch-Fermentationsbedingungen kultiviert, was einen direkten Vergleich der PHB-Produktionsleistung ermöglichte. Der Minifor ermöglichte eine stabile und reproduzierbare Kontrolle wichtiger Fermentationsparameter, darunter:

• Temperaturkontrolle bei 30 °C

• Kontinuierliche aerobe Kultivierung

• Schonendes Mischen zur Aufrechterhaltung homogener Bedingungen

• Langzeitige Fed-Batch-Fermentation von bis zu 180 Stunden

• Betrieb unter einem hohen Kohlenstoff-Stickstoff-Verhältnis (C:N), wodurch die intrazelluläre PHB-Akkumulation gefördert wird

Diese kontrollierten Bedingungen sind entscheidend für die Untersuchung der Biokunststoffproduktion, da die PHB-Synthese vor allem dann erfolgt, wenn sich das mikrobielle Wachstum verlangsamt und überschüssiger Kohlenstoff in die Polymerspeicherung umgeleitet wird.

Fermentationsmethode

Die Fed-Batch-Fermentation wurde mit dem LAMBDA Minifor Laborfermenter und einem Arbeitsvolumen von ca. 1,7 l durchgeführt. Das Kulturmedium enthielt:

• Glycerin und Glucose als Kohlenstoffquellen

• Ammoniumsulfat als limitierende Stickstoffquelle

• Ein hohes C:N-Verhältnis (~210–220:1) zur Induktion der PHB-Synthese

Die Kultivierung erfolgte unter kontrollierten aeroben Bedingungen bei 30 °C. Separate Fermentationen wurden mit Bacillus megaterium und Bacillus subtilis durchgeführt. Weitere Experimente wurden mit und ohne Spurenelemente im Medium durchgeführt. Die Begrenzung von Spurenelementen erhöhte den metabolischen Stress und förderte die intrazelluläre PHB-Produktion anstelle des fortgesetzten Biomassewachstums. Während der Fermentation wurden Proben entnommen, um Folgendes zu überwachen:

• Biomassekonzentration
• Substratverbrauch
• PHB-Produktion

Bacillus megaterium zeigte die höchste Produktivität und erreichte PHB-Konzentrationen von ca. 3,1 g L⁻¹. Die PHB-Akkumulation erfolgte hauptsächlich in der stationären Phase, als sich das mikrobielle Wachstum verlangsamte und Kohlenstoff in die Polymersynthese umgeleitet wurde. Bacillus subtilis produzierte unter denselben Fed-Batch-Fermentationsbedingungen ebenfalls PHB, allerdings in geringeren Konzentrationen. In beiden Fällen stieg die PHB-Synthese mit dem Nachlassen des aktiven Biomassewachstums. Die Begrenzung von Spurenelementen erhöhte die PHB-Produktion in beiden Stämmen, indem sie die intrazelluläre Polymerakkumulation anstelle der Biomassebildung förderte. Dies unterstreicht die Bedeutung einer kontrollierten Nährstofflimitierung und stabiler Prozessbedingungen für eine effiziente intrazelluläre Biopolymerproduktion.

Fazit

Der LAMBDA Minifor Laborfermenter bietet eine zuverlässige Plattform für:

• Fed-Batch-PHB-Produktion
• Bioplastforschung
• Studien zur mikrobiellen Fermentation

Seine Fähigkeit, stabile Temperatur, Belüftung und Durchmischung über längere Kultivierungszeiträume aufrechtzuerhalten, ermöglicht reproduzierbare und vergleichbare Ergebnisse in verschiedenen Experimenten. Das System eignet sich besonders für die Prozessentwicklung, bei der die präzise Kontrolle der Nährstofflimitierung und die Reproduzierbarkeit entscheidend sind. Anwendungsgebiete sind unter anderem:

• PHB- und Biokunststoffforschung
• Entwicklung von Fed-Batch-Fermentationsprozessen
• Evaluierung von Mikroorganismenstämmen
• Optimierung von Bioprozessen im Labormaßstab