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Optode-based online monitoring technologies for aerobic fermentations in orbitally shaken bioreactors = Optodenbasierte online Monitoring Technologien für aerobe Fermentationen in orbital geschüttelten Bioreaktoren
2023 & 2024
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2024
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-11-29
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-00089
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/976227/files/976227.pdf
Einrichtungen
Projekte
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
carbon dioxide transfer rate (frei) ; heat transfer coefficient (frei) ; high-throughput (frei) ; microtiter plate (frei) ; oxygen transfer rate (frei) ; power consumption (frei) ; process monitoring (frei) ; respiration activity (frei) ; temperature monitoring (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
Zwei der wichtigsten online überwachten Parameter in Fermentationen sind die Sauerstoff- und die Kohlendioxidtransferrate (OTR und CTR). Die OTR- und CTR-Überwachung ermöglicht eine schnelle Charakterisierung von Bioprozessen und die Übertragung des Prozesses auf größere Maßstäbe. Insbesondere 96-deepwell Mikrotiterplatten (MTP) werden für Hochdurchsatz-Experimente in der Bioprozessentwicklung eingesetzt. Ein Gerät zur Überwachung von OTR und CTR in 96-deepwell MTP ist jedoch noch nicht verfügbar. Zur Bestimmung von OTR und CTR ist die Messung der Gasphase in den Wells einer MTP erforderlich. Daher wurde ein neues Micro(μ)-Scale Transfer Rate Online Measurement-Messgerät (μTOM) entwickelt. Neuartige optische O2 und CO2-Sensoren wurden in das μTOM-Gerät integriert. Durch den Einbau von 48 CO2- und 48 O2-Sensoren ermöglicht das 96-Well-Sensor-Layout des μTOM-Geräts die Berechnung von 48 Respirationsquotienten (RQs) in Kulturen mit Flüssigkeitsfüllvolumen von weniger als 1 mL. Das μTOM-Gerät ermöglichte die erstmalige parallele Überwachung von OTR, CTR und RQ in einer MTP während der Kultivierung von Hansenula polymorpha und E. coli BL21(DE3). Die Auswertung der RQs ermöglichte online eine Unterscheidung zwischen Sauerstoff-unlimitiertem Wachstum von H. polymorpha auf Glucose und der Akkumulation bzw. dem Verbrauch von Ethanol. Darüber hinaus wurde der RQ verwendet, um den sequenziellen Verbrauch von Glucose und Glycerin durch E. coli BL21(DE3) in Wilms-MOPS-Autoinduktionsmedium zu identifizieren. Ein weiterer Parameter, der geschüttelte Kultivierungen erheblich beeinflusst, ist der Leistungseintrag. Der Leistungseintrag in flüssigen Kultivierungsmedien resultiert in Wärmeentwicklung. Es wird allgemein angenommen, dass der Wärmeverlust durch die Glaswände von Schüttelkolben genügt, um eine konstante Temperatur des flüssigen Mediums während der gesamten Kultivierung zu gewährleisten. Diese Annahme wurde mit neuartigen kugelförmigen mobilen Sensoren (Sens-o-Spheres, amensio GmbH) und optischen Sensorspots (TPSP5, PyroScience GmbH) untersucht. Die Sensoren zeigten einen Anstieg der Flüssigkeitstemperatur um bis zu 0,8 K in geschüttelten Glycerinlösungen mit dynamischen Viskositäten von 10 bis 193 mPa·s. Außerdem führte die Stoffwechselaktivität von H. polymorpha zu einem Temperaturanstieg von 0,3 K. Daraus lässt sich schließen, dass die erzeugte hydromechanische und biologische Wärme den Wärmeverlust durch die Glaswände übersteigt.Two of the most essential online monitored parameters in fermentations are the oxygen and the carbon dioxide transfer rate (OTR and CTR). OTR and CTR-monitoring allow fast characterization of bioprocesses and process transfer to larger scales. Especially, 96-deepwell MTP are used for high-throughput-experiments during early-stage bioprocess development. However, a device for OTR and CTR monitoring in 96-deepwell microtiter plates (MTPs) is still not available. To determine OTR and CTR, the measurement of the gas composition in each well of a MTP is necessary. Therefore, a new micro(μ)-scale Transfer rate Online Measurement device (μTOM) was developed. Novel O2 and CO2-sensitive fluorescent sensors were integrated into the μTOM-device to determine the carbon dioxide transfer rate (CTR) of individual wells. By including 48 CO2 and 48 O2 sensors, the 96-well sensor layout of the μTOM allows for the calculation of 48 respiration quotients (RQs) in cultures with a liquid filling volume below 1 mL. The first-ever parallel monitoring of the OTR, CTR and RQ in one MTP during cultivations Hansenula polymorpha and E. coli BL21(DE3) are presented. The interpretation of the RQ allowed distinguishing between the oxygen-unlimited growth of H. polymorpha on glucose as well as the accumulation and consumption of ethanol. Furthermore, the RQ was used to identify the sequential consumption of glucose and glycerol by E. coli BL21(DE3) in Wilms-MOPS autoinduction medium.Another parameter significantly influencing culture performance is the power consumption. Power consumption in liquid cultivation media results in heat generation. It is widely considered that the heat loss through the glass walls of shake flasks is sufficient to ensure a constant temperature of the liquid medium throughout cultivations. This longstanding assumption was investigated using novel spherical mobile sensors (Sens-o-Spheres, amensio GmbH) and luminescence-based sensor spots (TPSP5, PyroScience GmbH). Both sensors revealed a significant increase in fluid temperature of up to 0.8 K in shaken glycerol solutions with dynamic viscosities ranging from 10 to 193 mPa·s. Furthermore, the metabolic activity of H. polymorpha resulted in a temperature increase of 0.3 K. In conclusion, the generated hydromechanical and biological heat exceeded the heat loss through the glass walls.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT030626361
Interne Identnummern
RWTH-2024-00089
Datensatz-ID: 976227
Beteiligte Länder
Germany
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