Next generation bioreactor design for gas fermentation

Bongartz, Patrick; Blank, Lars M.; Wessling, Matthias

doi:42340

Next generation bioreactor design for gas fermentation = Fortschrittliches Bioreaktordesign für die Gasfermentation

Bongartz, Patrick^RWTH*

2023

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Patrick Bongartz

ImpressumAachen : Aachener Verfahrenstechnik 2023

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

ReiheAachener Verfahrenstechnik series - AVT.CVT - chemical process engineering ; 38 (2023)

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Wessling, Matthias (Thesis advisor)^RWTH* ; Blank, Lars M. (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-02-06

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-06246
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/960419/files/960419.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Chemische Verfahrenstechnik und Institut für Verfahrenstechnik (416110)

Projekte

BioSC - Bioeconomy Science Center (BioSC) (BioSC)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
bioreactor (frei) ; biosurfactants (frei) ; digital twin (frei) ; membrane aeration (frei) ; process intensification (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

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.

Bioreactors are the production units of an expansive variety of high-value products in the pharmaceutical and biotech industry. They enable the efficient cultivation and expansion of bacteria, fungi, plant and animal cells. Products of these life forms e.g., proteins as enzymes, therapeutic molecules, the cells themselves, can be exploited for industry and medicine. Present methods of bioreactor aeration cannot provide high gas input at physiologic mixing conditions. Bioreactors can provide high oxygen transferrates (OTRs) only with accompanying high shear forces, which results in a drawback in several process due to the shear stress on the sensitive organisms. Additionally, foam formation, caused by the bubbles and surface active ingredients of the fermentation broth, lowers the vessels available reaction volume. To overcome this challenges, aim of this work is the development of a technology for the bubble-free aeration of microbial fermentations. Due to the diffusive gas input by usage of membrane aeration, bubble usage or formation should be avoided. As none of the recent membrane aeration technologies fulfill the oxygen demands of a microbial process, novel in situ membrane aeration approaches were designed and tested. Therefore, an aeration membrane originally used in medical application, and CFD simulations were utilized to gain an optimized module architecture. With a static membrane module with air, an OTRmax of 5.7 mmol L−1 h−1 was reached, what is 475% more then in commercially available membrane aeration modules. For intensification of a benchmark bioprocess for production of biosurfactants (Rham-nolipids, RL), the static membrane aeration module was additionally equipped with a cell-retention membrane. This cell-retention enables the direct, in-line transfer of the fermentation broth to a solvent extraction setup. A foam-free air aeration with parallel product extraction could be achieved for 46 hours by this system. To further improve the gas transfer performance, a dynamic membrane module was de-signed, combining the stirrers and the aeration function. The membrane module stirrer(MemStir) enables an OTRmax of 175 mmol L−1 h−1. Versatility of the MemS is shown by RL fermentation with Pseudomonas putida in batch and fed-batch. A direct comparison with a bubble aerated cultivation was made and hurdles in product analytics and downstreaming due to the antifoam are presented. A space-time-yield (STY) up to 124 mgRL L−1 h−1 was reached with the MemStir. This STY is almost identical with recent state-of-the-art fermentation approaches for RL synthesis, but with a significantly less complex operation. Beyond rhamnolipid production, this thesis discusses the applicability of the presented MemStir for the cultivation of vulnerable cells like animal cells. The CFD results indicate physiological flow conditions and oxygen supply with reduced harm to those cells.

OpenAccess:
PDF
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