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Najah Mahdi Mohammed Al-Mhanna
M.Sc., Ph.D.
Studium:
Tätigkeit: nicht mehr am Lehrstuhl


Single cell protein ist ein Begriff für ein Protein, wie es in Lebensmitteln oder Tierfutter verwendet werden kann. Die Quelle dieses Proteins sind Mikroorganismen, wie z.B. Bakterien, Hefen, oder Algen, die als Einzeller wachsen. Es gibt verschiedene Kohlenstoffquellen, die für die Herstellung von Einzellerprotein (SCP) verwendet werden können. Viele Prozesse wurden entwickelt, um SCP kostengünstig herzustellen. Bei jedem dieser Verfahren spielt die Art des Substrats eine wichtige Rolle, so dass von diesen Substraten das Design und weiterhin die Kosten des produzierten Produktes stark abhängen. Die Substrate reichen von den Nebenprodukten von anderen Prozessen, wie zum Beispiel Molke und Melasse und komplizierteren Substraten, wie zum Beispiel Cellulosen, bis hin zur Verwendung von Kohlenwasserstoffen. Viele Länder haben eine Überproduktion an Datteln. Der Irak ist eines dieser Länder, der derzeit den größten Teil der Dattelernte zu geringen Preisen exportiert. In vielen Fällen gibt es eine Verschwendung schon während der Lagerung. Es wurde berichtet, dass jährlich etwa 14,3% (60.000t) der irakischen Datteln verschwendet werden. Zusätzlich werden etwa 35,7% (100.000t) als Tierfutter verwendet. Deshalb ist es Ziel dieser Arbeit, das Potential von Dattelsaft als Substrat für die Herstellung von Einzellerproteinen zu untersuchen. Zur Optimierung der Kulturparameter und deren vielfältigen Wechselwirkungen untereinander, wurde die Simplexmethode hierfür herangezogen. Die Anwendung eines faktoriellen Designs für die Parameteroptimierung hätte zu viele Versuche erfordert. Im Gegensatz zu faktoriellen Ansätzen, führt die Simplex-Methode zu einer starken Reduzierung der Anzahl der benötigen Experimente. Innerhalb von 28 Versuchen wurde die Optima für Temperatur und pH-Wert gefunden. Ein paar dieser Versuche wurden durchgeführt, um die Ergebnisse abzusichern und um einen ausreichend breiten Bereich an pH-Werten (pH 3,0 bis pH 7,0) und Kultivierungstemperaturen (26,4°C bis 32°C) zu untersuchen, wobei das Optimum bei pH 4,0 und 27,7°C gefunden wurde. Als Intervall wurde für beide Variablen der Wert 0,2 gewählt. Die Möglichkeit einen so weiten Bereich in kurzer Zeit so fein untersuchen zu können, unterstreicht noch mal die Mächtigkeit der Simplexmethode. Weiterhin wurde der Einfluss des gelösten Sauerstoffs untersucht, wobei durch Variation von Begasungsrate und Rührerdrehzahl verschiedene Regime erzeugt wurden. Die Ergebnisse zeigten, dass ein gelöster Sauerstoffgehalt (DO) von 75% der Sättigung optimal war. Über und unter diesem Wert wurde immer weniger Biomasse gebildet. Möglicherweise waren die niedrigeren Werte für den Sauerstoffgehalt für den oxidativen Abbau nicht ausreichend, so dass dieser herunterreguliert wurde. Und bei höheren Sauerstoffgehalten litten die Zellen offenbar unter oxidativem Stress. Diauxieartiges Verhalten und der Crabtree-Effekt wurden beobachtet. Diauxie geschieht, wenn die Hefe Saccharomyces cerevisiae zwei Hexosen als Substrate zur Verfügung hat. Ähnliches beobachtet man, wenn Hefen mit Hexosen gefüttert werden und aufgrund des Crabtree-Effektes Alkohol entsteht. Dieser wird wiederum erst dann von den Hefen als Substart verwertet, wenn die ursprüngliche C-Quelle limitierend geworden ist. Unter diesen Umständen ist ein diaxieartiges Wachstum ein sicheres Zeichen für den Crabtree-Effekt. Die Ergebnisse zeigten, dass das diauxieartige Verhalten bei erhöhten Glucosekonzentration (z.B. 4g/L) dominiert. Unter 50mg/L Glucose wurde keine solches Verhalten beobachtet. Ein kybernetisches mathematisches Modell wurde angenommen, um das Wachstum von Saccharomyces cerevisiae im Batch-Modus darzustellen. Die Simulationsergebnisse stimmten mit dem experimentellen Ergebnisse überein. Das Programm „Berkeley Madonna“ wurde hier verwendet, um das vorgeschlagene mathematische Modell auszuführen. Das Model erlaubt auch, kontinuierliche Kultivierungen darzustellen. Eine Online-Analysemethode wurde in dieser Arbeit entwickelt, mit der das Wachstum der Hefen deutlich einfacher verfolgt werden konnte, was die Optimierung aller Kulturparameter erleichterte. Unter optimalen Betriebsbedingungen (27,7°C, pH 4,0 und 75% DO) wurde unter Verwendung von Dattelpalmenpresssaft im Bioreaktor eine Ausbeute von 46,7% pro insgesamt verbrauchte Zucker erzielt. Der maximale Proteingehalt wurde 48,5% (w/w) der Trockenhefe Biomasse. Hieraus lässt sich ableiten, dass Dattelsaft ein potentiales Substrat für die Herstellung von SCP ist. Es zeigte sich auch, dass Dattelsaft ohne Zusatzstoffe eingesetzt werden kann. Allerdings verlängert sich dadurch die Kultivierungszeit. Beispielsweise wurde die Prozesszeit um 44% reduziert, wenn konzentriertes Dattelsaftmedium einem Vollmedium zugegeben wurde. Die Ergebnisse bestätigten, dass einige wichtige Vitamine, Mineralstoffe und Aminosäuren für das Wachstum von Saccharomyces cerevisiae im Dattelsaft fehlen.

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