Relation between pristinamycins production by Streptomyces pristinaespiralis, power dissipation and volumetric gas-liquid mass transfer coefficient, k_La

N. Mehmood, E. Olmos, P. Marchal, J.-L. Goergen, S. Delaunay

Process Biochemistry (2010), Vol. 45 (11), pp 1779-1786

Diese Arbeit untersucht den Einfluss der Energiedissipation auf Wachstum und Pristinamycin-Produktion von Streptomyces pristinaespiralis in Schüttelkolben. Streptomyces pristinaespiralis , ein filamentöses Bakterium, produziert die antibiotische Verbindung als Sekundärmetabolit unter verschiedenen Stressbedingungen, besonders unter Nährstoffmangel und hydrodynamischem Stress.

Die Energiedissipation beeinflusst Parameter wie Sauerstoffversorgung und Hydrodynamik. In dieser Arbeit wurden zum ersten Mal Untersuchungen zu den Zusammenhängen zwischen mittlerer volumetrischer Energiedissipation, Gas-Flüssigkeits-Stofftransferkoeffizient (k_La) und Pristinamycinproduktion in Schüttelkolben durchgeführt. Die auf Streptomyces pristinaespiralis einwirkendende Energiedissipation wurde variiert durch eine Serie von Kultivierungen in verschieden großen, schikanelosen Schüttelkolben bei unterschiedlichen Füllvolumina und zwei Drehzahlen. Die Hydrodynamik im System wurde Hilfe der numerischen Strömungssimulation [Computational fluid dynamics (CFD)] beschrieben.

Um den Einfluss der Biomasse auf die Viskosität des Mediums zu ermitteln, wurden Rheogramme bei verschiedenen Bakterienkonzentrationen angefertigt. Das Medium zeigte unterhalb von 14 gL^-1 Biomasse ein newtonsches Fließverhalten, darüber verhielt es sich nicht-newtonsch. Allerdings wurde bei Scherraten über 100 s^-1 (was den Kultivierungsbedingungen dieser Studie entspricht) ein newtonsches Plateau auch bei höheren Biomassekonzentrationen beobachtet. Also konnte ein Newtonsches Fließverhalten der Kulturbrühe auch bei Biomassekonzentrationen über 14 g L^-1 postuliert werden.

Die volumetrische mittlere Energiedissipation in schikanelosen Schüttelkolben wurde per CFD unter Newtonschen Bedingungen berechnet (250 bis 1000 mL Nennvolumen, Flüssigkeitsvolumen 10 bis 200 mL, Schüttelgeschwindigkeiten 250 oder 350 rpm). Die mit der numerischen Methode erhaltenen Werte stimmten mit empirischen Referenzdaten überein.

Bei der Untersuchung des Verhältnisses von maximaler Biomassekonzentration und volumetrischem Gas-Flüssigkeits Massentransferkoeffizienten (k_La) konnten zwei Phasen beobachtet werden: In der ersten Phase, bei k_La-Werten unter 100 h^-1 und Biomassekonzentrationen unter 15 g L^-1, waren Biomasse und k_La direkt korreliert. Dieses Verhalten ist charakteristisch für eine Sauerstofflimitierung während der Kultivierung. In der zweiten Phase, in der der Biomassetiter Werte von 15 g L^-1 überstieg, hatte eine weitere Erhöhung des k_La über 100 h^-1 fast keinen Effekt auf die Zelldichte mehr. Eine mögliche Ursache könnten höhere spezifische Sauerstoffverbrauchsraten oder Limitierungen weiterer Nährstoffe gewesen sein.

Die Pristinamycinproduktion setzte in allen untersuchten Kulturen erst ab einer Biomassekonzentration von 15 g L^-1 ein. Die Produktion fand auch erst oberhalb eines klaren Schwellenwertes für die Energiedissipation statt, der parallel zum Kolbenvolumen anstieg. Unabhängig von der Art des verwendeten Kolbens wurden weiterhin k_La-Werte über 100 h^-1 zur Antibiotikasynthese benötigt.

In dieser Arbeit konnte zum ersten Mal gezeigt werden, dass die maximale Pristinamycinproduktion von S. pristinaespiralis stark von der mittleren, volumetrischen Energiedissipation abhängt, die auf die produzierenden Kulturen einwirkt. Für Energiedissipationswerte unter 5,5 kW m^-3 wurde eine lineare Abhängigkeit der Produktion von der Energiedissipation beobachtet. In dieser Phase könnte der Transfer einiger Nährstoffe für die Antibiotikaproduktion limitierend gewesen sein. Zwischen Energiedissipationswerten von 5,5 bis 8,5 kW m^-3 wurde ein Plateau der Pristinamycinkonzentration im Bereich von 45 mg L^-1 erreicht. Hier wurde vermutlich der gesteigerte Massentransfer kompensiert durch eine Zunahme des hydrodynamischen Stresses. Für Energiedissipationen über 8,5 kW m^-3 wurde eine rapide Abnahme der Antibiotikakonzentration beobachtet, möglicherweise begründet durch eine Zerstörung der mikrobiellen Pellets.

Im Hinblick auf den Einfluss der Energiedissipation auf die Ausbeute an Pristinamycin pro Biomasse wurde ein sehr ähnlicher Verlauf beobachtet. Damit konnte nachgewiesen werden, dass der Effekt der Energiedissipation auf den Pristinamycintiter nicht in einer Zunahme der Biomasse begründet war. Der Anstieg der Energiedissipation war nicht der einzige Faktor, der den Beginn der Produktion beeinflusste, er musste an ausreichenden Sauerstofftransfer zur Bildung von Biomassekonzentrationen über 15 g L^-1 gekoppelt sein. Wenn aber eine Produktion von Pristinamycin erfolgte, war dessen Konzentration korreliert mit der mittleren volumetrischen Energiedissipation.

Diese Untersuchungen wurden zweckmäßigerweise in Schüttelkolben durchgeführt, weil diese definierte Kultivierungsbedingungen sicherstellen und breite Anwendung finden.