Automated high-throughput experimentation for a fast and reliable bioprocess development

Kunze, Martin; Büchs, Jochen (Thesis advisor); Jaeger, Karl-Erich (Thesis advisor)

Aachen (2019, 2020)
Doktorarbeit

Kurzfassung

Ob für die Realisierung neuer Produktionsrouten, die Nutzung bisher ungenutzter Rohstoffe oder die Schaffung neuer oder erweiterter Produktportfolios: Der Bedarf an rentablen biotechnologischen Prozessen hat über die letzten Jahre und Jahrzehnte kontinuierlich zugenommen. Ein prominentes Beispiel dafür ist die Produktion von Kraftstoffen oder anderen Chemikalien aus Biomasse. Ein Schlüsselprozess dabei ist der Aufschluss schwer abbaubarer Cellulose zu leichter zu verarbeitenden, löslichen Zuckermolekülen. Entsprechende Enzyme, Cellulasen, spielen dafür eine zentrale Rolle. Zur Identifikation geeigneter Enzymkandidaten sowie zugehöriger Expressionsorganismen ist ein aussagekräftiges Screening-System unerlässlich. Dafür wurde die in dieser Arbeit präsentierte Roboter-Plattform entwickelt: Der so genannte “Cellulolytische RoboLector”. Das System ermöglicht die Durchführung von Upstream- und Downstream-Prozessen, sowie verschiedene Analysemethoden im Hochdurchsatz. Seine Einsatzfähigkeit wurde anhand verschiedener mikrobieller und enzymatischer Modellsysteme gezeigt. Zentrales Element des RoboLector’s ist der BioLector, welcher die Echtzeiterfassung prozessrelevanter Parameter mittels optischer Methoden im Hochdurchsatz erlaubt. Im Laufe der experimentellen Arbeiten zeigten sich bisher unentdeckte Fallstricke beim Einsatz der Technologie, die u.U. zu verfälschten Daten führen und den Nutzer falsche Schlüsse ziehen lassen. Zur Vermeidung wurden Lösungen dafür erarbeitet, basierend auf mathematischen Korrekturen oder experimentellen Anpassungen. Zu guter Letzt wurde ein einzigartiges System entwickelt, um temperaturabhängige Kinetiken mikrobieller und enzymatischer Reaktionen im Hochdurchsatz bestimmen zu können. Dabei erlaubt die Kombination eines optischen Online-Monitoring-Systems mit einem speziell konstruierten Temperaturkontrollsystem für Mikrotiterplatten individuelle Temperaturprofile über 96 Kavitäten. Zusammenfassend gibt diese Arbeit einen ausführlichen Überblick darüber, wie fortschrittliche automatische Protokolle zur Entwicklung und Charakterisierung biotechnologischer Prozesse erstellt, umgesetzt, und evaluiert werden.

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