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Automated high-throughput experimentation for a fast and reliable bioprocess development = Automatisiertes Experimentieren im Hochdurchsatz für eine schnelle und zuverlässige Bioprozessentwicklung
2019 & 2020
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2019
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2020
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-06-04
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-01375
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/781572/files/781572.pdf
Einrichtungen
Projekte
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
automation (frei) ; cellulase (frei) ; enzymes (frei) ; high-throughput screening (frei) ; online monitoring (frei) ; recombinant protein expression (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
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.The demand for feasible bioprocesses is continuously increasing in order to realize new production pathways, convert yet unconsidered raw materials, and allow new or advanced product portfolios. One bioprocess of major interest over the last years is the production of fuels or chemicals from biomass. One key process within this production chain is the degradation of recalcitrant cellulose to better processible soluble sugars, and cellulases are key players in the hydrolyzation of cellulose. To identify best working cellulase candidates and their production hosts a reliable screening procedure is necessary. Therefore, a robotic platform is presented, the so called “Cellulolytic RoboLector”. Automated upstream, downstream, and analytical process steps in high-throughput are described and evaluated using different microbial and enzymatic candidates as model systems. One key technique within the RoboLector system, the BioLector device, allows for high-throughput online monitoring of process relevant parameters via optical methods. During the extensive work with the BioLector, some yet undiscovered pitfalls were identified which might mislead the user of such techniques and cause incorrect results. Solutions are presented to overcome these obstacles either by mathematical correction or experimental modifications. Finally, a unique system for rapid determination of temperature dependent reaction kinetics for microbial and enzymatic reactions is presented. The combination of an optical on-line monitoring device with a customized temperature control unit for 96 well microtiter plates allows high-throughput temperature profiling. Taking altogether, this work gives an extensive overview how novel automated high-throughput protocols for bioprocess development and characterization are designed, realized, and evaluated.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT020357013
Interne Identnummern
RWTH-2020-01375
Datensatz-ID: 781572
Beteiligte Länder
Germany
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