High cell density fermentations of recombinant microorganisms using a pressurized, pilot scale bioreactor

• Hochzelldichte-Fermentationen von rekombinanten Mikroorganismen in einem druckbeaufschlagten Bioreaktor in technischem Maßstab

Knabben, Ingo; Büchs, Jochen (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2010)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2010

Kurzfassung

Da die meisten industriellen Fermentationsprozesse heutzutage darauf fokussieren, hohe Endkonzentrationen an Biokatalysatoren oder pharmazeutischen Wirkstoffen zu erreichen, ist es von entscheidender Bedeutung mikrobielles Wachstum unter dem Gesichtspunkt der Hochzelldichte zu untersuchen. Aus diesem Grund werden in der vorliegenden Arbeit verschiedene Versuche mit rekombinanten Mikroorganismen (Bakterien und Hefen) vorgestellt, die grundsätzlich alle in einem mit bis zu 10 bar Überdruck beaufschlagbaren Pilot-Bioreaktor durchgeführt wurden. Mit dem Ziel hohe Biomassekonzentrationen zu erreichen, wurden sowohl empirische Daten in Form von Batch- und Fed-Batch-Fermentationen als auch modell-gestützte Fed-Batch-Versuchsreihen untersucht. Desweiteren wurden Produktkonzentrationsverläufe (pDNA-Vakzin) aus Hochzelldichte-Fermentationen verglichen, die einerseits mit erhöhtem Reaktorkopfdruck und andereseits drucklos mit Sauerstoff angereicheter Zuluft erreicht wurden. Parallel zu diesen Fermentationsergebnissen konnten die bisher höchsten Werte mit konventioneller, Online-Messtechnik (Kapazität und Atmungsaktivität) generiert werden, die gleichzeitig für den Nachweis einer jeweilig viabilen, mikrobiellen Kultur im laufenden Bioprozess herangezogen werden konnten. Konkret konnten hier lineare Korrelationen zwischen Biomasse und Kapazität bis zu einer Biotrockenmasse von 180 gL-1 und Sauerstofftransferraten von bis zu 1 molL-1h-1 aufgezeigt werden. Weiterhin konnte in dieser Arbeit herausgearbeitet werden, dass der Sauerstoffbedarf von extremen Hochzelldichte-Fermentationen sowohl in Batch- als auch in Fed-Batch-Prozessen mit einem stetigen Steigern des Reaktorkopfdrucks bis zu 10 bar Überdruck in einem gerührten Bioreaktor gedeckt werden kann. Deshalb kann diese Prozessstrategie zukünftig dazu führen, unüblich hohe Konzentrationen an Biomasse und / oder -produkt zu erreichen, was wiederum zu einer verringerten Bioreaktorauslastung und / oder zu einer verringerten Bioreaktorgröße führen könnte.

Einrichtungen

• Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik [416510]