Small-scale shaken bioreactors for fed-batch cultivation with parallel online monitoring

Habicher, Tobias; Büchs, Jochen (Thesis advisor); Schwaneberg, Ulrich (Thesis advisor)

Aachen (2020)
Doktorarbeit

Kurzfassung

Geschüttelte Kleinkultur-Bioreaktoren wie Schüttelkolben und Mikrotiterplatten sind die am häufigsten verwendeten Reaktorsysteme in der initialen Phase der Bioprozessentwicklung. Ursprünglich waren diese Bioreaktoren für den Batch-Betrieb konzipiert. Dies führt jedoch zu unerwünschten Effekten wie Überflussmetabolismus, Substratinhibierung oder Katabolitrepression. Da der Fed-Batch-Betrieb diese Effekte verhindern kann, werden Produktionsprozesse hauptsächlich im Fed-Batch betrieben. Die Umsetzung des Fed-Batch-Betriebs im kleinen Maßstab ist somit essentiell, um physiologische Bedingungen zu erzielen, die mit den Bedingungen in Fed-Batch-Produktionsprozessen vergleichbar sind. Im Schüttelkolben wurde der Fed-Batch-Betrieb mit den zuvor eingeführten 250 mL membranbasierten Fed-Batch-Schüttelkolben umgesetzt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das System hinsichtlich der Dimensionierung standardisiert und in Design, Handhabung und Robustheit optimiert. Zudem wurde das Funktionsprinzip auf 500 mL Schüttelkolben hochskaliert. Mittels dieser Systeme wurden kohlenstoff- und stickstofflimitierte Fed-Batch-Bedingungen eingeführt. Dadurch wurde die Katabolitrepression und Substratinhibierung in einem Protease-produzierenden Bacillus licheniformis Stamm überwunden. In Mikrotiterplatten wurden kohlenstofflimitierte Fed-Batch-Bedingungen mit polymerbasierten Mikrotiterplatten realisiert. Besonderes Augenmerk galt der Online-Prozessüberwachung der Fed-Batch betriebenen Kleinkultur-Bioreaktoren. Membranbasierte Fed-Batch-Schüttelkolben und polymerbasierte Fed-Batch-Mikrotiterplatten wurden so konzipiert, dass sie mit dem RAMOS- bzw. µRAMOS-Gerät überwachbar sind. Zudem wurde eine Fed-Batch-Mikrotiterplatte mit Polymerringen entwickelt, die die Kulturbrühe optisch zugänglich macht und somit die Online-Prozessüberwachung mit dem etablierten BioLector-Gerät ermöglicht. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die vorgestellten Kleinkultur-Bioreaktoren einen Fed-Batch-Betrieb mit paralleler Online-Prozessüberwachung der wichtigsten Kulturparameter ermöglichen. Dadurch können bereits in der initialen Phase der Bioprozessentwicklung die für die Fed-Batch-Produktionsprozesse relevanten physiologischen Bedingungen nachgebildet werden, was Zeit und Kosten spart und somit die Bioprozessentwicklung beschleunigt.

Identifikationsnummern

Downloads