Hochdurchsatzfütterungssysteme für das Primärscreening (Fed-Batch Mikrotiterplatten)

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Timm Keil

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Infolge des Rohstoffwandels werden klassische chemische Prozesse zunehmend durch biotechnologische Produktionsschritten ersetzt bzw. ergänzt. Solche Produktionsschritte stützen sich hauptsächlich auf die Kultivierung von meist gentechnisch modifizierte Mikroorganismen oder auch von tierischen Zellen.
Die Entwicklung eines biotechnologischen Verfahrens beginnt somit mit der Suche nach geeigneten Produktionsstämmen und Prozessbedingungen. Hierfür werden Tausende von Stämmen kultiviert und auf ihre Fähigkeit Produkte zu bilden, untersucht. Dieser auch Primärscreening genannte Entwicklungsschritt ist dementsprechend auf hohen Durchsatz ausgelegt. Um dieser Anforderung nachzukommen werden häufig sogenannte Mikrotiterplatten genutzt. Diese ermöglicht die Durchführung von vielen miniaturisierten Kultivierungen auf sehr kleinem Raum. Im Primärscreening werden die Organismen bis heute hauptsächlich im Batch kultiviert. Hierzu enthalten die eingesetzten Nährmedien zu Beginn der Kultivierung eine hohe Konzentration von Substraten und Puffersalzen, die den Bedarf der Organismen über die gesamte Kultivierungszeit decken. Viele Mikroorganismen weisen jedoch unter hohen Substrat- und Pufferkonzentrationen eine verminderte oder sogar gar keine Produktbildung auf. Erst bei geringen Konzentrationen, wie sie am Ende der Kultivierung erreicht werden, findet Produktbildung statt. Werden Stämme im Batchbetrieb als bester Produzent ausgewählt, produzieren diese bei Substratüberschuss, hohen osmotischen Drücken und nicht geregelten pH-Werten optimal. Diese Bedingungen sind jedoch weit entfernt von den Bedingungen eines optimal geführten Produktionsprozesses mit Fütterung (Fed-Batch-Prozess) und pH-Steuerung, weshalb die unter Batch-Bedingungen im Primärscreening ausgewählten Stämme oftmals unter Produktionsbedingungen enttäuschen.
Die Zielsetzung des Projekts ist die Weiterentwicklung von Mikrotiterplatten, die ein Polymer-basiertes Freisetzungssystem enthalten. Aus diesem wird mit hoher Reproduzierbarkeit und mit definierter Rate Substrat, z. B. Glucose, in das Fermentationsmedium freigesetzt. In den entsprechenden Platten können Fed-Batch-Kultivierungen im Hochdurchsatzscreening ohne zusätzlichen apparativen Aufwand durchgeführt werden und umgehen dabei die genannten Probleme bei batchbetriebenen Primärscreeningprozessen.