Growth kinetic determination of different hairy root species

Abstract

Hairy roots have emerged as promising systems for the production of secondary metabolites, holding vast applications in industries such as cosmetics, food supplements, and pharmaceuticals. The industrial scale-up of hairy root production is crucial for commercial use. Therefore, Evologic Technologies developed a platform technology implemented in bioreactors, which was already tested with the hairy root Daucus carota. In this thesis, the application of the developed platform technology was tested on the hairy root species Hyoscyamus albus, Lupinus polyphyllus, and Ophiorrhiza mungos in a 3 L laboratory scale bioreactor. The primary goal of this thesis was to comprehensively describe and compare the growth kinetics of those three HR species in two different cultivation systems, namely laboratory-scale bioreactor and tissue culture flask.H. albus achieved the highest specific growth rates, followed by O. mungos and finally L. polyphyllus. For H. albus a linear growth occurred in the tissue culture flask and the 3 L bioreactor throughout the fermentation. On the other hand, for L. polyphyllus and O. mungos, exponential growth appeared in the tissue culture flask. The most significant rise in the carbon dioxide evolution rate (CER) was observed for H. albus, mirroring the trend of the biomass increase. The low biomass increase in L. polyphyllus is likewise reflected in its CER, which was staying on the same level throughout the fermentation. The impact of inoculation age on growth was also explored. For H. albus, the inoculation age did not have a major impact on the specific growth rates. However, an inoculation age of 14 days yielded the highest specific growth rates for both L. polyphyllus and O. mungos.

Hairy roots haben sich als vielversprechender Organismus für die Produktion von sekundären Metaboliten etabliert, welche eine breite Anwendung in der Kosmetik, als Nahrungsergänzungsmittel und der Pharmazie finden. Die Kultivierung von hairy roots und das Hochskalieren sind entscheidend für deren kommerzielle Anwendung. Aus diesem Grund hat Evologic Technologies eine Plattformtechnologie für das Wachstum von hairy roots in Bioreaktoren entwickelt, die bereits mit der hairy root Spezies Daucus carota getestet wurde. In dieser Arbeit wurde die Anwendung der entwickelten Plattformtechnologie an den Hairy Root Spezien Hyoscamus albus, Lupinus polyphyllus und Ophiorrhiza mungos in einem 3 L Bioreaktor getestet. Das Hauptziel dieser Arbeit war es, das Wachstumsverhalten dieser drei hairy root Spezien in zwei verschiedenen Kulivierungssystemen, einem 3 L Bioreaktor und eine Gewebekulturflasche, umfassend zu beschreiben und zu vergleichen. H. albus erreichte die höchsten spezifischen Wachstumsraten, gefolgt von O. mungos und schließlich L. polyphyllus. Bei H. albus trat ein lineares Wachstum sowohl in der Gewebekulturflasche als auch im 3 L Bioreaktor während der Fermentation auf. Im Gegensatz dazu zeigte sich bei L. polyphyllus und O. mungos ein exponentielles Wachstum in der Gewebekulturflasche. Der größte Anstieg in der CER wurde bei H. albus beobachtet, was den Trend im Biomasseanstieg widerspiegelte. Der geringe Anstieg in der Biomasse bei L. polyphyllus konnte ebenfalls in seiner CER wiedergefunden werden. Der Einfluss des Inokulationsalters auf das Wachstum wurde ebenfalls in dieser Arbeit untersucht. Für H. albus wurden nur geringe Unterschiede in den spezifischen Wachstumsraten zwischen verschiedenen Inokulationsaltern festgestellt. Jedoch ergab ein Inokulationsalter von 14 Tagen die höchsten spezifischen Wachstumsraten sowohl für L. polyphyllus als auch für O. mungos.