In situ product recovery from fermentation processes using reverse flow diafiltration

Carstensen, Frederike; Wessling, Matthias (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2014)
Doktorarbeit

Kurzfassung

Die Anwendung von Membranen im Bereich der Biowissenschaften ist zusammen mit dem verbesserten Verständnis von Membranprozessen in den letzten Jahren stark gestiegen. Die sogenannte „rote Biotechnologie” wird in medizinischen Prozessen angewandt, wie z.B. bei der Herstellung von Antikörpern. Weiße oder industrielle Biotechnologie beschäftigt sich mit industriellen Prozessen, wie z.B. der Produktion von Kraftstoffen sowie von Basischemikalien. Vor allem Downstream Prozesse, zu denen die Produktgewinnung und -aufreinigung gehören, sind hierbei sehr kostenintensiv. In situ Produktgewinnung ist eine Form der Prozessintensivierung, bei der die Reaktion und die Produktgewinnung in einem Prozessschritt vereint werden. Dadurch werden Kosten reduziert. Durch die Kombination dieser beiden Prozessschritte können Ausbeute und Produktivität erhöht sowie ein kontinuierlicher Betrieb gewährleistet werden. Membranen sind besonders vorteilhaft für die in situ Produktgewinnung, da gleichzeitig kontinuierliche Produktgewinnung und Zellrückhalt sowie ein einfacher Scale-up ermöglicht werden. Diese Arbeit stellt einen neuen Membranprozess mit dem Namen „Reverse-flow Diafiltration” vor. Dieser Prozess ermöglicht einen langfristig stabilen Betrieb bei niedrigen transmembranen Drücken. Hierzu werden getauchte Hohlfasermembranen in den Fermenter integriert. Zwei Flüssigkeitsströme werden abwechselnd über die Membran ausgetauscht: Einer führt dem Reaktor Nährlösung zu (Filtration von innen nach außen), der andere zieht Produktlösung aus dem Reaktor ab (Filtration von außen nach innen). Dadurch findet kein Nettofluss über die Membran statt und Deckschichtbildung durch Partikelanlagerung wird minimiert. Zusätzlich wird keine Produktlösung zum Rückspülen der Membran verschwendet. Zwischen den beiden Schritten wird ein sogenannter Entleerungsschritt eingesetzt, um das Totvolumen der Membran zu entleeren und damit die Produktausbeute zu erhöhen. Dieses Konzept der Reverse-flow Diafiltration wird mit verschiedenen Filtrationsmedien getestet, mit einer Hefe-Modellsuspension, einer pilzhaltigen Fermentationsbrühe sowie einer Fermentationsbrühe mit Antikörpern. Es wird außerdem ein Scale-up mit drei parallelen Membranen durchgeführt. Als Alternative zu den Hohlfasermembranen werden Membranen mit sehr hohem Flussbereich getestet, wie Mikrosiebe und Mikrogewebe. Die Machbarkeit des Konzepts der Reverse-flow Diafiltration wird in Versuchen mit einer Hefe-Modellsuspension nachgewiesen. Das Verfahren weist deutlich niedrigere transmembrane Drücke auf als das konventionelle Dead-End Verfahren mit Rückspülung. Um das Totvolumen im Membranlumen zu entleeren, werden verschiedene Entleerungsmethoden getestet. Es wird gezeigt, dass die Entleerung mit Permeat deutlich effektiver funktioniert und stabiler zu betreiben ist, als die Entleerung mit Luft. RFD mit Permeatentleerung wird in einem kontinuierlichen Fermentationsbetrieb zur Itakonsäureherstellung mittels Pilzzellen von Ustilago maydis getestet. Es zeigt sich, dass RFD auch bei der Filtration von solchen komplexen Suspensionen deutlich höhere Flüsse und Permeabilitäten aufweist als die konventionelle Dead-End-Filtration. RFD wird außerdem erfolgreich für die Gewinnung von Antikörpern getestet. Hierbei ist die Herausforderung, Proteinadsorption zu verhindern und gleichzeitig hohe Flüsse sowie Zellrückhalt zu erreichen. Es wird gezeigt, dass der Prozess erfolgreich zwei Wochen lang bei verschiedenen Durchflussraten betrieben werden kann. Reverse-flow Diafiltration ist sehr vielversprechend für zukünftige ISPR Prozesse, vor allem für kontinuierlich betriebene Reaktoren. Es gewährleistet eine stabile Filtration sowie konstante Produktkonzentrationen im Permeat. Die Betriebszeiten sind deutlich länger als bei konventionellen getauchten Prozessen. Vor allem für komplexere Fermentationsbrühen ist Reverse-flow Diafiltration vielversprechend, z.B. für Suspensionsen aus Pilzzellen, die durch eine hohe Viskosität sowie filamentöses Wachstum charakterisiert sind. Auch für scherempfindliche Zellen, wie z.B. tierische Zellen, bietet das Verfahren Vorteile, da es ohne hohe Cross-flow Geschwindigkeiten auskommt. Bezüglich Kapazität ist RFD bereits mit etablierten Verfahren wie Settlern, Cross-flow Filtrationsverfahren sowie Spinfiltern vergleichbar. In den letzten Jahren hat sich ein Trend hin zu single-use Systemen entwickelt, was eine hohe Flexibilität auf Marktnachfragen ermöglicht. Ein integriertes single-use Membranmodul könnte eine Langzeit-kontinuierliche Produktgewinnung gewährleisten. Für diese Anwendung haben getauchte Membranen mit Reverse-flow Diafiltration großes Potential.

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