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Small-scale shaken bioreactors for fed-batch cultivation with parallel online monitoring = Geschüttelte Kleinkultur-Bioreaktoren im Fed-Batch-Betrieb mit paralleler Online-Prozessüberwachung
2020
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020
Deutsche und englische Zusammenfassung. - Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-03-06
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-09055
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/801742/files/801742.pdf
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
bioprocess development (frei) ; fed-batch (frei) ; online monitoring (frei) ; shaken bioreactors (frei) ; small-scale cultivation (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
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.Small-scale shaken bioreactors, such as shake flasks and microtiter plates, are the most frequently used reactor systems during initial bioprocess development. Originally, they were designed to be operated in batch mode. However, batch mode causes adverse effects like overflow metabolism, substrate inhibition or catabolite repression. Fed-batch mode can prevent these effects, and thus, it is predominantly applied in production processes. Consequently, the implementation of fed-batch mode at small scale is crucial to obtain physiological conditions that are comparable to fed-batch production processes. In shake flasks, fed-batch mode was realized with the previously introduced 250 mL membrane-based fed-batch shake flasks. Within this thesis, the system was standardized regarding its dimensions and optimized in design, handling and robustness. Furthermore, the operating principle was successfully scaled-up to 500 mL shake flasks. The application of membrane-based fed-batch shake flasks allowed to introduce carbon- and nitrogen-limited fed batch conditions to overcome catabolite repression and substrate inhibition in a protease producing Bacillus licheniformis strain. In microtiter plates, carbon-limited fed-batch conditions were realized with polymer-based controlled-release fed-batch microtiter plates. Special emphasis was paid to the possibilities for online monitoring of the fed-batch operated small-scale shaken bioreactors. Membrane-based fed-batch shake flasks and polymer-based controlled-release fed-batch microtiter plates have been tailored to be compatible with the RAMOS and µRAMOS device, respectively. In order to have access to additional culture parameters, a fed-batch microtiter plate with polymer rings was designed. The polymer rings make the culture broth optically accessible, enabling online monitoring with the established BioLector device. In conclusion, the presented small-scale shaken bioreactors enable fed-batch operation with parallel online monitoring of the most important culture parameters. This allows to mimic the physiological conditions relevant for fed-batch production processes already during initial bioprocess development, which saves time and cost, and accelerates bioprocess development.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT020588907
Interne Identnummern
RWTH-2020-09055
Datensatz-ID: 801742
Beteiligte Länder
Germany
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