Design and application of calorimeters for monitoring biological processes in stirred tank bioreactors

Aachen / Publikationsserver der RWTH Aachen University (2013) [Doktorarbeit]

Seite(n): XIII, 82 S. : Ill., graph. Darst.

Kurzfassung

Die Entwicklung neuer Messtechniken zur online Überwachung von Prozessen ist stets von großem Interesse für industrielle und wissenschaftliche Anwendungen. Unabhängig von der Art des Stoffumsatzes, d. h. von einfachen chemischen Reaktionen 0. Ordnung, bis hin zu komplexen metabolischen Netzwerken in Lebewesen, stellt die Messung von frei werdender Reaktionswärme (Kalorimetrie) eine universelle Möglichkeit dar, Prozesse zu überwachen und zu untersuchen. Aus diesem Grund wurden für die Prozesskontrolle von Bioreaktoren zwei neue kalorimetrische Messverfahren entwickelt, validiert und angewendet – die Chip-kalorimetrie und die Reaktorkalorimetrie. Die Validierung der kalorimetrischen Messverfahren erfolgte mittels Abgasanalyse der untersuchten Prozesse und dem oxikalorischen Äquivalent. Das oxikalorische Äquivalent basiert auf der Thornton-Regel, welche besagt, dass die Verbrennungsenthalpie linear mit dem Reduktionsgrad korreliert (-115 kJ je mol ausgetauschter Elektronen). Wendet man dies beispielsweise auf die Oxidation von Glukose (bezogen auf C, Reduktionsgrad von 4) an, erhält man das oxikalorische Äquivalent von -460 kJ pro Mol verbrauchten Sauerstoffs. Würde man die vollständige Oxidation von Glukose kalorimetrisch bestimmen, erhielte man die gleiche gemessene Wärmemenge, wie bei der Messung des verbrauchten Sauerstoffs und dessen Umrechnung mittels oxikalorischen Äquivalent in eine Wärmemenge. Da der Metabolismus von Lebewesen deutlich komplexer ist, als die reine Oxidation von Glukose, wurde zur Validierung der kalorimetrischen Messmethoden ein genetisch modifizierter Escherichia coli Stamm (VH33) ausgewählt. Dieser kommt aufgrund seiner genetisch eingeschränkten Stoffwechselwege der Abstraktion einer reinen oxidativen Verbrennung von Glukose relativ nahe. Die Fermentationen dieses Stammes ermöglichten es, die kalorimetrischen Messungen der Prozesse mittels Abgasanalyse (und oxikalorischen Äquivalent) zu validieren. Das Chip-Kalorimeter, welches von der TU Bergakademie Freiberg entwickelt wurde, stellt eine Möglichkeit dar, kalorimetrische Messungen an jedem Reaktorsystem durchzuführen, welches über ein Septum verfügt. Zunächst wurden anhand von Fermentationen mit E. coli VH33 die Messungen des Chip-Kalorimeters mittels Abgasanalyse validiert. Es stellte sich dabei heraus, dass das Gerät bei Wärmeleistungen bis 1 W L-1 sehr genaue Messergebnisse lieferte (0.001 W L-1). Aufgrund kleiner Kapillardurchmesser, sowie der mangelnden Sauerstoffversorgung der Organismen in der Messkammer des Chip-Kalorimeters, war die kalorimetrische Messung höherer Biomassekonzentrationen zunächst nicht möglich. Das Gerät wurde daraufhin schrittweise konstruktiv modifiziert, so dass eine automatische Verdünnung der zu vermessenden biologischen Probe mit sauerstoffreicher NaCl-Lösung möglich wurde. Es konnte gezeigt werden, dass durch diese Modifikationen die obere Messgrenze des Chip-Kalorimeters auf mindestens 4 W L-1 erweitert werden konnte. Eine weitere Möglichkeit zur Detektion von freigesetzter Wärme bei biologischen Prozessen in Fermentern stellt die Bilanzierung des Kühl- und Heizkreislaufs des Reaktorsystems dar. Um dieses vollständig thermodynamisch bilanzieren zu können, müssen möglichst alle Wärmequellen und –senken des Systems bekannt sein. Um die im gesamten zu- oder abgeführte Wärme zu ermitteln, gibt es grundsätzlich zwei Möglichkeiten: 1) die Messung des Kühlmittelmassestroms zwischen Kühlmanteleingang und –ausgang, sowie die Ermittlung der Temperaturdifferenz zwischen Eingang und Ausgang des Kreislaufs; 2) die Bestimmung des Wärmedurchgangskoeffizienten von der Fermenterbrühe bis zur Kühlflüssigkeit, sowie die Ermittlung der Temperaturdifferenz zwischen der Reaktorinnentemperatur und der Temperatur des Kühlmantels. Beide Methoden wurden an einem 50 L Druckreaktor konstruktiv umgesetzt, mittels Fermentation von E. coli VH33 validiert und miteinander hinsichtlich ihrer Messqualität verglichen. Dabei stellte sich Variante 2, welche auf der Bestimmung des Wärmedurchgangskoeffizienten basiert, als die genauere heraus (für dieses Reaktorsystem). Als finaler Schritt wurde in diesem modifizierten Reaktor das Lysin bildende Bakterium Corynebacterium glutamicum DM1730 und der Itakonsäure produzierende Pilz Ustilago maydis kultiviert, um das Potential des kalorimetrischen Messsignals zur online Detektion von Produktbildung zu ermitteln. Hierbei konnte gezeigt werden, dass aus dem Verhältnis von Sauerstoffverbrauch zu freigesetzter Wärmeleistung, die Itakonsäure- und Lysin-Bildung nicht-invasiv und online, qualitativ nachgewiesen werden kann. Diese Beispiele zeigen deutlich, welches Informationspotential noch im Wärmesignal steckt.

Autorinnen und Autoren

Autorinnen und Autoren

Regestein, Lars

Gutachterinnen und Gutachter

Büchs, Jochen

Identifikationsnummern

  • URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-44188
  • REPORT NUMBER: RWTH-CONV-143734