Next generation bioreactor design for gas fermentation

• Fortschrittliches Bioreaktordesign für die Gasfermentation

Bongartz, Patrick; Wessling, Matthias (Thesis advisor); Blank, Lars M. (Thesis advisor)

Aachen : Aachener Verfahrenstechnik (2023)
Buch, Doktorarbeit

In: Aachener Verfahrenstechnik series - AVT.CVT - chemical process engineering 38 (2023)
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023

Kurzfassung

Zur Synthese der Produkte in Biopharmazie und Biotechnologie werden Bioreaktoren verwendet. Sie ermöglichen die Kultivierung von Bakterien, Pilzen, pflanzlichen und tierischen Zellen. Ihre Produkte (z. B. Proteine, therapeutische Moleküle, oder die Zellen selbst) werden in Industrie und Medizin genutzt. Die Belüftung von Bioreaktoren basiert meist auf Blaseneintrag und der Dispergierung der Blasen durch ein Rührwerk. Herkömmliche Bioreaktoren können jedoch keine physiologischen Mischbedingungen mit einem hohen Gaseintrag kombinieren. Diese Reaktoren erreichen hohe Sauerstofftransfer-Raten (OTRs). Doch sind in vielen Prozessen die Scherkräfte und der biophysikalische Stress für die Zellen von Nachteil. Übliche Maßnahme gegen die Auswirkungen der Blasenbegasung ist die Zugabe von Entschäumer- oder Scherschutzmitteln. Diese Chemikalien verschieben die Probleme in der Kultivierung jedoch lediglich in die Produktaufreinigung. In dieser müssen die chemischen Agenzien meist aufwändig von den Zielprodukten getrennt werden. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer Technologie zur blasenfreien Belüftung mikrobieller Fermentationen. Da keine der aktuellen blasenfreien Begasungstechnologien den Sauerstoffbedarf eines mikrobiellen Prozesses ausreichend erfüllt, wurden neuartige in situ-Membranbegasungssysteme entwickelt und getestet. Durch die Verwendung einer Begasungsmembran aus der Medizintechnik und einer CFD-optimierten Modularchitektur, konnten Module mit konkurrenzloser Gasübertragsleistung hergestellt werden. Mit einem statischen Membranmodul wurde eine OTRmax von 5.7 mmol L−1 h−1 mit Luft erreicht. Diese OTR ist 475% höher als bei kommerziell erhältlichen Produkten. Die Integration einer zusätzlichen Zell-Rückhalte-Membran im Membranmodul führte zu einem Modul mit zweifachem Nutzen: In einem Benchmark-Bioprozess zur schaumfreien Herstellung von Biotensiden (Rhamnolipide, RL) konnte dieses Modul mit einer in line Produktextraktion gekoppelt werden. Eine schaumfreie Begasung mit paralleler Produktabreicherung wurde für 46 Stunden durchgeführt. Zur weiteren Steigerung der Gasübertragungsleistung wurde ein dynamisches Membranmodul entwickelt, welches Rühr- und Belüftungsfunktion kombiniert. Dieser Membranrührer (MemStir ) ermöglicht eine OTRmax von175 mmol L−1 h−1. Die Einsatzmöglichkeit des MemStir wird durch eine RL-Fermentation mit Pseudomonas putida im Batch und Fed-Batch gezeigt. Ein direkter Vergleich mit einer blasenbegasten Fermentation und die Schwierigkeiten aufgrund der Nutzung des Antischaummittels in Produktanalytik und -aufreinigung werden dargestellt. Mit dem MemStir wurde eine Raum-Zeit-Ausbeute (RZA) bis zu 124 mgRL L−1 h−1 erreicht. Diese RZA ist fast identisch mit aufwändigeren, state-of-the-art Fermentationsansätzen für die RL-Produktion. Über die Biotensidproduktion hinaus diskutiert diese Arbeit die Anwendung des MemStir für die Kultivierung empfindlicher (tierischer) Zellen. CFD Ergebnisse zeigen sowohl physiologische Strömungsbedingungen und die Sauerstoffversorgung für die Zellen.

Einrichtungen

• Lehrstuhl für Chemische Verfahrenstechnik und Institut für Verfahrenstechnik [416110]