Development of a robust and flexible device for off-gas analysis in shaken bioreactors

Schulte, Andreas; Büchs, Jochen; Corves, Burkhard

doi:HT031394165

Development of a robust and flexible device for off-gas analysis in shaken bioreactors = Entwicklung eines robusten und flexiblen Messgeräts zur Abgasanalyse in geschüttelten Bioreaktoren

Schulte, Andreas^RWTH*

2025 & 2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Andreas Schulte

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2026

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Büchs, Jochen (Thesis advisor)^RWTH* ; Corves, Burkhard (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-10-31

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-10023
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1022436/files/1022436.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik (416510)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Prozessanalyse in kleinen geschüttelten Bioreaktoren stellt eine Herausforderung an Messtechnik dar. Die Sensorik muss klein, günstig und robust gegenüber der Schüttelbewegung sein. Die Abgasanalyse ist dabei eine besondere Form der Prozessüberwachung, da sie nicht-invasiv gegenüber der Kulturflüssigkeit ist. Sie ermittelt die Produktions- und Verbrauchsraten von gasförmigen Komponenten welche am Zellmetabolismus beteiligt sind. In dieser Arbeit wurde ein robustes und flexibel einsetzbares Gerät zur Abgasanalyse von oberflächenbegasten Bioreaktoren entwickelt. Der Fokus liegt dabei auf der Messung von OTR und CTR. Bei dem TOM (Transferrate Online Monitoring) werden Gassensoren zur Abgasanalyse in einem Bypass installiert, sodass diese samt Elektronik nicht der Schüttelbewegung ausgesetzt sind. Zusätzlich kommt die etablierte Methode der wiederkehrenden dynamischen Messphasen zum Einsatz (RAMOS). So konnte eine hohe Genauigkeit und Präzision der Messung sowie Reproduzierbarkeit zwischen Schüttelkolben erreicht werden. Die Bewertung dieser Größen erfolgte mit einem nicht-biologischen Modellsystem. Insbesondere die Messung der CTR und RQ konnten gegenüber dem Stand der Technik erheblich optimiert werden. Diese Optimierung wurde durch Kultivierungen mit S. cerevisiae, G. oxydans und E. coli vorgestellt. Aufgrund der robusten, nicht geschüttelten Sensorik konnte das TOM in Kombination mit einem selbstauswuchtenden Hochgeschwindigkeits-Orbitalschüttler verwendet werden. So konnten Kultivierungen bei 750 U/min bei 25 mm Schüttelhub und 600 U/min bei 50 mm Schüttelhub überwacht werden. Dabei wurde ein maximaler kLa Wert von 650 1/h bei 10 mL Füllvolumen in einem 250 mL Glaskolben ermittelt. Des Weiteren stellte sich heraus, dass bei gleicher Belastung der Schüttelmaschine (Fliehkräfte) ein Schüttelhub von 25 mm höheren Sauerstofftransfer bei hohen Schüttelfrequenzen ergibt. Zuletzt wurden elektrochemische Ethylensensoren in den Bypass der Abgasanalytik integriert. So konnte die Bildung des Pflanzenhormons Ethylen bei Petersilie Suspensionszellen sowie deren Sauerstoffverbrauch online gemessen werden. Eine Kalibriermethode wurde etabliert, welche Baseline Driften des Sensors sowie die Oxidation der Ethylen Moleküle am Sensor berücksichtigt. So konnten Ethylen-transferraten bis 4 nmol/L/h aufgelöst werden. Die Bildung von Ethylen konnte bei Zugabe von den immunstimulierenden Substanzen Salicylsäure und Methyljasmonat sowie dem mikrobiellen Stressfaktor Pep13 nachgewiesen werden.

A significant challenge of process online-monitoring in small scale shaken bioreactors is the miniaturization of process analytical tools. Off-gas analysis takes a special role within those tools as it is non-invasive to the liquid broth and provides the production and consumption rates of gaseous components that take part in cell metabolism. In this study, a flexible and robust off-gas analysis tool for surface-aerated bioreactors, measuring OTR, CTR and RQ was developed. In the measurement system TOM (Transferrate Online Monitoring), sensors for off-gas analysis were placed in a bypass system that avoids the shaking of the electronics and sensors. It was combined with the established method of recurrent dynamic measurement phases as presented before for the RAMOS. The newly developed measurement system showed high accuracy, precision and reproducibility among individual flasks, especially regarding CTR measurement. Performance was evaluated with a non-biological model system. It was then applied to the microbial model systems S. cerevisiae, G. oxydans, and E. coli putting focus on the benefits of CTR and RQ measurements. Secondly, the TOM was used to monitor shake flask cultivations on a self-balancing orbital high-speed shaker that is capable to be operated at up to 750 rpm shaking frequency at 25 mm shaking diameter and 600 rpm at 50 mm, showing the robustness of the measurement system. In exemplary cultivations, a maximum kLa value of 650 h-1 was reached at 10 mL filling volume in a 250 mL glass shake flask. This is an increase of about 50%, compared to current commercial orbital shakers. Shaking at 25 mm shaking diameter turned out to be the best trade-off between oxygen supply and machine load at high shaking frequencies. Lastly, ethylene detecting electrochemical sensors were integrated to the measurement setup to monitor the formation of the plant hormone ethylene in combination with the consumption of oxygen in parsley suspension cell cultivations. A calibration method is presented that is not prone to baseline drifting and that considers target gas oxidation at the sensor. In this way, changes in ethylene transfer rate as low as 4 nmol/L/h can be resolved. Ethylene release could be detected when parsley cells were treated with defense priming compounds salicylic acid and methyl jasmonate and when challenged with the microbial pattern Pep13.

OpenAccess:
PDF
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