Bioprozessentwicklung

 

Bioprozessentwicklung

Eine Kernkompetenz der AVT.BioVT stellt die verfahrenstechnisch ausgerichtete Entwicklung von biotechnologischen Prozessen dar. Dabei steht die Verwendung von nachwachsenden Rohstoffen, sowie von Rest- oder Abfallströmen z.B. aus der Lebensmittelindustrie oder Forstwirtschaft im Vordergrund.

Bei der Charakterisierung und Entwicklung biotechnologischer Prozesse stellen sich zahlreiche unterschiedliche Fragestellungen. Diese betreffen z.B. die Wahl eines geeigneten Produktions­organismusses, die Optimierung der Medienzusammensetzung und reichen bis hin zum Scale-Up. Weiterhin muss die Betriebsweise wie Batch, Extended Batch, Fed-Batch oder kontinuierlicher Betrieb festgelegt werden. Forschungsbedarf ergibt sich hierbei bspw. bei der Wahl der optimalen Temperatur und des pH-Wertes, Entwicklung eines Induktionsprofils, Untersuchung des Viskositätsverhaltens und des Sauerstoffbedarfs oder auch Produktion unter definierter Sauerstofflimitierung (mikroaerophile Bedingungen). Die AVT.BioVT greift hierbei auf eine breite Fachkompetenz im Bereich der Prozessentwicklung verschiedener eukaryotischer und prokaryotischer Mikroorganismen, Pflanzenzellsystemen, der Enzymtechnik und der tierischen Zellkultur zurück. Auch die Gebiete der Druckfermentation (bis 11 bar absolut), sowie der Synthesegas-Fermentation zählen hier zu den Expertisen.

Eine beispielhafte Prozessentwicklung an der AVT.BioVT beginnt mit dem Erhalt von mikrobiellen Systemen, welche von unseren universitären und industriellen Forschungspartnern stammen. Typischerweise setzt die Prozessentwicklung hier im µL- Maßstab in Mikrotiterplatten an. Diese bieten den Vorteil der hohen Parallelisierbarkeit und Automatisierbarkeit bei gleichzeitig niedrigem Material- und Arbeitsaufwand. In kurzer Zeit können hier viele relevante Parameter wie z.B. pH-Optimum, Temperatur-Optimum, Empfindlichkeit gegenüber erhöhtem osmotischen Druck oder verschiedene Medienkomponenten, erprobt werden. Trotz kleiner Probevolumina können bereits in diesem Maßstab mit Hilfe von hausintern entwickelten BioLectoren und µRAMOS-Anlagen viele wichtige Prozessinformationen gewonnen werden. Unter anderem kann der Sauerstoffverbrauch von Kultivierungen online gemessen, verschiedene (Licht)Induktions- und Temperaturprofile abgefahren, sowie mikroaerophile Bedingungen simuliert werden. Es können sogar verschiedene, industriell relevante Betriebsweisen, wie z.B. Batch- und Fed-Batch-Kultivierungen, im Kleinkulturmaßstab abgebildet werden. So wurden die Vorläufer der nun kommerziell von der Adolf Kühner AG erhältlichen FeedBeads und die FeedPlates an der AVT.BioVT entwickelt1,2. Mit diesen Technologien können Fed-Batch Kultivierungen, auf z.B. Glucose oder Glycerin, im Miktrotiterplatten- und Schüttelkolbenmaßstab durchgeführt werden. Darüber hinaus erlauben es Membran-basierte Fed-Batch Schüttelkolben eine Vielzahl von Stoffen, so wie z.B. Kohlenstoffquellen, Ammonium oder pH-Stellmittel, im Fed-Batch zu Kultivierungen in Schüttelkolben hinzuzudosieren3,4.

Wurden im µL-Maßstab geeignete Prozessbedingungen identifiziert, wird der Scale-Up für gewöhnlich im Schüttelkolben fortgesetzt. Unter Verwendung der RAMOS-Technologie zur Onlinemessung der Sauersoff (OTR)- und Kohlenstoffdioxid (CTR)-Transferraten und des Respirationsquotienten (RQ) können hier ebenfalls Batch, Extended Batch, Fed-Batch, und auch kontinuierliche Prozesse (COSBIOS) durchgeführt werden. Auch die online Messung des Leistungseintrags und neuerdings der Viskosität in Schüttelkolben ist möglich.

Den letzten Scale-Up Schritt stellt die Übertragung der entwickelten Prozesse in den Rührkessel-Fermenter dar, welcher in der industriellen Praxis sehr weit verbreitet ist. Dabei wird auf zahlreiche 1-2 L Laborfermenter, sowie vier Druckfermenter mit einem Reaktorvolumen von 7,5 – 150 L zurückgegriffen. Die Fermenter verfügen über eine Vielzahl von online Überwachungstechniken wie z.B. gelöst-Gas, pH, Wärmebildung (Kalorimetrie), Biomasse und Abgasanalytik. Auch eine Prozessübertragung in den Technikumsmaßstab im 150 L Druckfermenter mit der Option einer kontinuierlichen in-situ Permeatabtrennung über ein Filtermodul ist möglich.

Bei Fragen zu den genannten Themengebieten erreichen Sie uns über die angegebene Ansprechperson.

Wir bieten fortlaufend Abschlussarbeiten zu den genannten Themengebieten an. Ausschreibungen finden Sie im Angebot der Studien- und Abschlussarbeiten der AVT (Zugriff nur aus dem RWTH-Netz). Zudem können Sie uns jederzeit gerne eine Initiativbewerbung über unser zukommen lassen.

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Quellen

1 Jeude, M., Dittrich, B., Niederschulte, H., Anderlei, T., Knocke, C., Klee, D. and Büchs, J. (2006), Fed‐batch mode in shake flasks by slow‐release technique. Biotechnol. Bioeng., 95: 433-445. https://doi.org/10.1002/bit.21012

2 Keil, T., Dittrich, B., Lattermann, C. et al. Polymer-based controlled-release fed-batch microtiter plate – diminishing the gap between early process development and production conditions. J Biol Eng 13, 18 (2019). https://doi.org/10.1186/s13036-019-0147-6

3 Bähr, C., Leuchtle, B., Lehmann, C., Becker, J., Jeude, M., Peinemann, F., ... & Büchs, J. (2012). Dialysis shake flask for effective screening in fed-batch mode. Biochemical Engineering Journal, 69, 182-195.

4 Habicher, T, John, A, Scholl, N, et al. Introducing substrate limitations to overcome catabolite repression in a protease producing Bacillus licheniformis strain using membrane‐based fed‐batch shake flasks. Biotechnology and Bioengineering. 2019; 116: 1326– 1340. https://doi.org/10.1002/bit.26948