Characterization and simulation of substrate release in a novel 48-well fed-batch microtiter plate

• Charakterisierung und Simulation der Substratfreisetzung in einer Neuartigen 48-Well Fed-Batch Mikrotiterplatte

Lattermann, Clemens; Büchs, Jochen (Thesis advisor); Pich, Andrij (Thesis advisor)

Aachen (2018, 2019)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2018

Kurzfassung

Industrielle Bioprozesse werden oftmals unter Fed-Batch-Bedingungen betrieben. Dies bietet mehrere Vorteile gegenüber der herkömmlichen Batch-Betriebsart. Neben optimalen Kultivierungsbedingungen lassen sich auch höhere Produktausbeuten erzielen. Screening im Kleinmaßstab wird hingegen oftmals unter Batch-Bedingungen durchgeführt. Die sich hieraus ergebenden unterschiedlichen physiologischen Bedingungen für Mikroorganismen können zur falschen Stammauswahl nach dem Screening führen. In den letzten Jahren wurden daher zahlreiche Fed-Batch Kleinkultursysteme entwickelt. Einen neuartigen Ansatz stellt die in dieser Arbeit vorgestellte Fed-Batch Mikrotiterplatte dar. Die Substratfreisetzung erfolgt hier durch diffusiven Stofftransport durch ein Hydrogel. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die neue Fed-Batch Mikrotiterplatte sowie Substratfreisetzungen näher untersucht. Es wurden Freisetzungsversuche mit Polyvinylalkohol- (PVA) und Polyallylamin- (PAAm) Hydrogelen für Feedkonzentrationen bis zu 700 g/L durchgeführt. Für PVA-Glyzerin wurde eine maximale Diffusionsrate von 0.86 mg/h und für PAAm-Glukose von 0.58 mg/h gemessen. Die scheinbare Lag-Phase (tlag) wurde als wichtiger Faktor zur Bestimmung der Hydrogelstabilität identifiziert. In einem weiteren Schritt wurde die Substratdiffusion anhand eines hydrodynamischen Modells berechnet. Zudem wurde ein Diffusionsmodell basierend auf den Fickschen Diffusionsgesetzen entwickelt. Das Modell ermöglicht die Vorhersage der Substratdiffusion auf bis zu +/- 20 %. Weiterhin wurde die Volumenänderung innerhalb des Hydrogels als wichtiger Parameter für die Gelstabilität identifiziert. Relative Änderungen von 7.5 - 12.5 % pro Volumeneinheit wurden als kritisch für das PAAm-Hydrogel und Feedkonzentrationen von 300 g/L ermittelt. Weiterhin wurde eine maximale relative Volumenänderung von 19 % nach 0.8 h für eine Feedkonzentration von 700 g/L berechnet. Um die Anwendung der neuen Fed-Batch Mikrotiterplatte zu demonstrieren, wurden Kultivierungsversuche mit E. coli BL21 (DE3) pRhotHi-2-Ec FbFP durchgeführt. Dabei wurde eine C-Quellen-Limitierung nachgewiesen. Abschließend wurden Temperaturabweichungen innerhalb einer herkömmlichen Mikrotiterplatten von bis zu 1.5 - 2.3 °C ermittelt.

Einrichtungen

• Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik [416510]