Development of a bioprocess for squalene production in thraustochytrids
Creators: name: Schütte, Lina
Publisher: name: Hannover : Institutionelles Repositorium der Leibniz Universität Hannover
Year: 2024
Subjects: subject: Thraustochytrids
subject: Triterpenes
subject: Squalene
subject: Schizochytrium sp. S31
subject: Pleurotus ostreatus
subject: Bioprocess
subject: Circular economy
subject: Side stream
subject: Thraustochytriden
subject: Triterpene
subject: Squalen
subject: Bioprozess
subject: Kreislaufwirtschaft
subject: Nebenstrom
subject: Dewey Decimal Classification::500 | Naturwissenschaften::540 | Chemie

description: Squalene is a natural triterpene that has many applications in the pharmaceutical, cosmetic and food industry. The current production of this natural substance is problematic, as deep sea sharks are hunted for its extraction from shark liver oil. Extraction from certain lipid-rich plants is possible, but requires large amounts of land, is seasonal and runs the risk of competing with food production. Therefore, this work deals with an alternative approach: The biotechnological squalene production by marine eukaryotes belonging to the thraustochytrid family. Thraustochytrids are unicellular eukaryotes that occur in marine habitats and are able to produce large amounts of lipids and store them in their cells. The proportion of squalene in the total lipid depends heavily on the chosen cultivation conditions. In this work, the influence of oxygen-limiting conditions on the growth and squalene productivity of the wild-type Schizochytrium sp. S31 was investigated. For this purpose, the organism was cultivated in shake flasks and in a bioreactor using different cultivation strategies. Respiratory activity was monitored in both cultivation systems by analyzing the gas composition of the exhaust gas or the headspace in real time. During fed-batch cultivation under oxygen-limiting conditions, a squalene yield of 1.1 g/L was achieved. With the aim of a more cost-effective biotechnological production of squalene and the development of a circular process, the second part of this work dealt with the use of potential side streams as medium substitutes. The complex nitrogen source of the cultivation medium used for thraustochytrids was successfully replaced by biomass from the cultivation of the basidiomycete Pleurotus ostreatus. An extract rich in nitrogen sources was produced from the fungal components, especially the fungal mycelium, by enzymatic hydrolysis. The clarified extract was then used to cultivate the thraustochytrid Schizochytrium sp. S31 and its influence on growth and squalene productivity was determined. Overall, this work demonstrated the positive influence of oxygen-limiting conditions on the squalene productivity of a thraustochytrid in different cultivation systems. In addition, it was shown for the first time that residual biomass from the submerged cultivation of the basidiomycete P. ostreatus can replace media components in biotechnological squalene production.
description: Squalen ist ein natürliches Triterpen, welches vielfältige Anwendung in der Pharma-, Kosmetik- und Lebensmittelindustrie findet. Die derzeitige Produktion dieses Naturstoffes ist problematisch, da für seine Gewinnung aus Haifischleberöl Tiefseehaie bejagt werden. Die Extraktion aus bestimmten lipidhaltigen Pflanzen ist möglich, benötigt aber viel Land, ist saisonabhängig und läuft in Gefahr, mit der Nahrungsmittelproduktion zu konkurrieren. Diese Arbeit befasst sich daher mit einem alternativen Ansatz: Der biotechnologischen Produktion von Squalen in marinen Eukaryoten aus der Familie der Thraustochytriden. Thraustochytriden sind einzellige Eukaryoten, die in marinen Habitaten vorkommen und große Mengen an Lipiden produzieren und in ihren Zellen einlagern. Der Anteil an Squalen am Gesamtlipid hängt dabei stark von den gewählten Kultivierungsbedingungen ab. In dieser Arbeit wurde zunächst der Einfluss von sauerstofflimitierenden Bedingungen auf das Wachstum und die Squalenproduktivität des Wildtyps Schizochytrium sp. S31 untersucht. Dafür wurde der Organismus im Schüttelkolben und im Bioreaktor unter der Anwendung verschiedener Prozessführungsstrategien kultiviert. Die respiratorische Aktivität wurde in beiden Kultivierungssystemen durch Analytik der Gaszusammensetzung des Abgases bzw. des Kopfraumes in Echtzeit überwacht. Unter sauerstofflimitierenden Bedingungen erzielte die Fed-Batch-Kultivierung eine Squalenausbeute von 1,1 g/L. Mit dem Ziel, die biotechnologische Produktion von Squalen kostengünstiger und im Sinne einer Kreislaufwirtschaft zu gestalten, beschäftigte sich der zweite Teil dieser Arbeit mit dem Einsatz von potentiellen Nebenströmen als Mediumersatz. Es gelang, die komplexe Stickstoffquelle des Mediums für die Kultivierung von Thraustochytriden durch potentielle Restbiomasse aus der Kultivierung des Basidiomyceten Pleurotus ostreatus zu ersetzen. Durch enzymatische Hydrolyse wurde dafür ein stickstoffreiches Extrakt aus den Pilzbestandteilen, speziell dem Pilzmyzel, hergestellt. Das geklärte Extrakt wurde im Anschluss für die Kultivierung des Thraustochytriden Schizochytrium sp. S31 verwendet und dessen Einfluss auf Wachstum und Squalenproduktivität überprüft. In dieser Arbeit wurde der positive Einfluss von sauerstofflimitierenden Bedingungen auf die Squalenproduktivität eines Thraustochytriden in verschiedenen Prozessführungsstrategien gezeigt. Außerdem wurde erstmals dargestellt, dass Restbiomasse aus der submersen Kultivierung des Basidiomyceten P. ostreatus Medienbestandteile in der biotechnologischen Squalenproduktion ersetzen kann.