Während der Forschungsarbeiten an der Universität Stuttgart untersuchte Alexander Beck, wie sich die Ausbeute von Mannosylerythritollipiden, einer zu den Glykolipiden zählenden Biotensidklasse, durch Stammauswahl, Medium und Prozessführung steigern lässt. Nachdem Beck bereits seit Mitte 2021 als Wissenschaftler im Innovationsfeld Industrielle Biotechnologie am Fraunhofer IGB tätig ist, schloss er seine Doktorarbeit am Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie IGVP, in deren Rahmen er sechs Publikationen veröffentlichte, am 8. Dezember 2022 erfolgreich mit der mündlichen Prüfung ab. 

Biotenside werden von Mikroorganismen gebildet. Sie gelten als nachhaltige Alternative zu chemisch hergestellten Tensiden, die als Detergenzien, Emulgatoren, Dispergier- oder Schaummittel in unterschiedlichsten Branchen zum Einsatz kommen. Die biotechnologische Synthese von Cellobioselipiden (CL) und Mannosylerythritollipiden (MEL) ist seit vielen Jahren ein Schwerpunkt der von Dr.-Ing. Susanne Zibek geleiteten Arbeitsgruppe »Bioprozessentwicklung« im Innovationsfeld »Industrielle Biotechnologie« des Fraunhofer IGB. Damit die Biotenside wirtschaftlich in großem Stil hergestellt werden können, sind aber noch Verbesserungen der Ausbeute sowie der Reproduzierbarkeit der Produktzusammensetzung erforderlich. 

Von 2017 bis Mitte 2021 untersuchte Alexander Beck in seiner Doktorarbeit am Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie (IGVP) der Universität Stuttgart daher, wie die fermentative Herstellung von Mannosylerithritollipiden (MEL), einer zu den Glykolipiden zählenden Biotensidklasse, mit Pilzen aus der Familie der Ustilaginaceae unter verschiedenen Aspekten optimiert werden kann. Am 8. Dezember 2022 folgte nun die Doktorprüfung, mit der Beck seine kumulative Dissertation »Characterization of Mannosylerythritol Lipid (MEL) Production with Various Microorganisms and Substrates and Development of Fermentation Processes« erfolgreich abschließen konnte. Hauptberichter der Prüfung war Prof. Dr. Steffen Rupp, stellvertretender Institutsleiter des IGB.

Beck untersuchte dazu in seiner Doktorarbeit die MEL-Produktion mit sieben verschiedenen Ustilaginaceae-Spezies und fünf verschiedenen Pflanzenölen (Raps-, Soja-, Oliven-, Kokos- und Rizinusöl), um deren Einfluss auf die entstehenden MEL-Strukturen zu bestimmen. Es gelang ihm dabei zu zeigen, dass je nach Organismus unterschiedlich hohe Produktkonzentrationen erreicht wurden, während die verschiedenen Substrate keinen wesentlichen Einfluss auf die gebildeten Produktmengen ausübten. Mittels Strukturanalyse durch eine Kombination von Analysemethoden, darunter eine neuartige HPTLC-MALDI-TOF-MS-Methode, zeigte Beck zudem, dass das Kettenlängenmuster der hydrophoben Fettsäureseitenketten sehr spezifisch für die einzelnen Organismen war, der Sättigungsgrad der Fettsäure-Seitenkette dagegen vorwiegend durch das eingesetzte Öl bestimmt wurde.

Für die Etablierung eines reproduzierbaren und skalierbaren MEL-Produktionsprozesses im Bioreaktor untersuchte Beck anschließend die Zusammensetzung eines definierten Mineralsalzmediums. Es gelang ihm, ein neues Medium zu evaluieren, das ein schnelles Wachstum der Zellen ermöglicht und die anschließende MEL-Produktion aus Rapsöl, welches als Ölsubstrat zur weiteren Prozessentwicklung ausgewählt wurde, nicht negativ beeinflusst: Alle sieben untersuchten Mikroorganismen zeigten auf dem neu evaluierten Mineralsalzmedium ein vergleichbares Wachstum wie auf einem bereits etablierten, auf Hefeextrakt basierenden Komplexmedium, wenn dem Mineralsalzmedium zusätzlich Vitamine und Spurenelemente zugegeben wurden. Für vier der sieben Organismen konnte Beck die anschließende MEL-Produktion aus Rapsöl nachweisen. Bei zwei der untersuchten Organismen, Moesziomyces aphidis und Pseudozyma hubeiensis pro tem., war sie mit dem neuen Medium sogar höher als mit Hefeextraktmedium. 

Schließlich untersuchte Beck die fermentative Produktion von MEL mit dem ausgewählten Produzenten M. aphidis unter kontrollierten Prozessbedingungen und Verwendung des neuen definierten Mineralsalzmediums im Bioreaktor. Er ermittelte kinetische Prozessparameter wie Substratverbrauchs- und Produktbildungsraten und verbesserte sie durch eine Erhöhung der Biomassekonzentration in der Wachstumsphase mittels einer exponentiellen Fed-Batch-Strategie. So wurde eine maximale Konzentration von bis zu 50,5 g/L MEL erreicht, wenn Öl im Überschuss zugegeben wurde. Da dies zu hohen Konzentrationen an Restfettsäuren in der Brühe führte, konnte Beck durch eine Anpassung der Ölzufuhr an die biomassespezifischen Ölhydrolyse- und MEL-Produktionsraten in einem weiteren Prozess zwar eine etwas geringere MEL-Konzentration von 34,3 g/L erhalten, aber dafür einen sehr reinen Rohextrakt mit mehr als 90 % MEL und einer deutlich geringeren Konzentration an Restfettsäuren. Abschließend entwickelte er kinetische Modelle, verglich und verifizierte sie mit den experimentellen Daten, um mit diesen Modellen in Zukunft eine detaillierte Vorhersage des Prozessverhaltens zu ermöglichen.

Alexander Beck, der Life Science Engineering an der Friedrich‑Alexander Universität Erlangen‑Nürnberg studierte, begann 2017 als Doktorand am IGVP in der Arbeitsgruppe von Dr.-Ing. Susanne Zibek, die ihn auch fachlich betreute und unterstützte. Die Doktorarbeit am IGVP lief zunächst über das Projekt »Enzymatische und Mikrobielle Synthese von Biotensiden auf der Basis von Lignocellulose« im Forschungsprogramm Bioökonomie Baden-Württemberg. Hier konnte Beck auch am begleitenden Graduiertenprogramm BBWForWerts teilnehmen. Mit Start des Projekts Allianz Biotenside 2018 wurde die Arbeit dann weiter finanziert. Die Forschung von Alexander Beck trug damit auch wesentlich zum Erfolg des Projekts Allianz Biotenside bei, das seit Juli 2021 in einer zweiten Phase gefördert und von Beck – bereits seit 2021 als Wissenschaftler am IGB angestellt – koordiniert wird. Darüber hinaus ist Beck in zahlreichen weiteren neuen Projekten der Arbeitsgruppe involviert.

Im Rahmen seiner Dissertation hat Alexander Beck folgende Beiträge in renommierten Fachzeitschriften veröffentlicht:

• Beck A, Vogt F, Hagele L, Rupp S, Zibek S (2022) Optimization and Kinetic Modeling of a Fed-Batch Fermentation for Mannosylerythritol Lipids (MEL) Production With Moesziomyces aphidis. Frontiers in bioengineering and biotechnology 10:913362 doi:10.3389/fbioe.2022.913362

• Beck A, Haitz F, Thier I, Siems K, Jakupovic S, Rupp S, Zibek S (2021) Novel mannosylerythritol lipid biosurfactant structures from castor oil revealed by advanced structure analysis. J Ind Microbiol Biotechnol 48(7-8) doi:10.1093/jimb/kuab042

• Beck A, Zibek S (2020) Growth Behavior of Selected Ustilaginaceae Fungi Used for Mannosylerythritol Lipid (MEL) Biosurfactant Production - Evaluation of a Defined Culture Medium. Frontiers in bioengineering and biotechnology 8:555280 doi:10.3389/fbioe.2020.555280

• Beck A, Zibek S (2020) Mannosylerythritollipide — mikrobielle Biotenside aus dem Bioreaktor. BIOspektrum 26(1):100-102 doi:10.1007/s12268-020-1332-3

• Beck A, Haitz F, Grunwald S, Preuss L, Rupp S, Zibek S (2019) Influence of microorganism and plant oils on the structure of mannosylerythritol lipid (MEL) biosurfactants revealed by a novel thin layer chromatography mass spectrometry method. J Ind Microbiol Biotechnol 46(8):1191-1204 doi:10.1007/s10295-019-02194-2

• Beck A, Werner N, Zibek S (2019) Mannosylerythritol Lipids: Biosynthesis, Genetics, and Production Strategies. In: Hayes DG, Solaiman DKY, Ashby RD (eds) Biobased Surfactants. AOCS Press, pp 121-167 doi:10.1016/B978-0-12-812705-6.00004-6