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Prozessentwicklung Fed-Batch-Prozessentwicklung in geschüttelten Kulturen

| Autor / Redakteur: Florian Glauche* und Peter Neubauer et.al.* / Dr. Ilka Ottleben

Die Entwicklung von Produktionsprozessen für heterologe Proteine erfordert eine große Anzahl an parallelen Kultivierungen. Dazu werden meist Batch-Kulturen in Schüttelkolben oder Mikroloch-Platten durchgeführt. Wichtige Herausforderung: Die Kultivierungsbedingungen sollten überwacht werden. Dabei hilft moderne Sensortechnologie und die statistische Versuchsplanung (DoE).

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Abb. 1: Kombination des Shake-Flask Reader und Sensor-Dish Reader in einem Schüttler.
Abb. 1: Kombination des Shake-Flask Reader und Sensor-Dish Reader in einem Schüttler.
(Bild: TU Berlin)

Eine konsistente Prozessentwicklung – vom Milliliter-Bereich bis hin zum industriellen Produktionsmaßstab – ist eine Voraussetzung, um die Entwicklungszeiten von Produktionsprozessen in der Biotechnologie-Branche abzukürzen. In den hier vorgestellten Untersuchungen wurde eine statistische Versuchsplanung (DoE) zur Bestimmung der optimalen Kultivierungsparameter in zwei verschiedenen Kulturmaßstäben – Mikro- und Milliliter-Bereich – angewendet. Batch-Kultivierungen in geschüttelten Systemen (hauptsächlich Schüttelkolben, aber auch Mikroloch-Platten und Benchtop-Fermenter) werden eingesetzt, um Resultate mit vergleichsweise geringem Aufwand zu erzielen. Leider werden dabei häufig die Bedingungen im Produktionsmaßstab und deren Einfluss auf Ertrag und Qualität des Produktes nicht berücksichtigt. Ursachen hierfür sind:

  • die Durchführung der Kulturen als Batch-Prozess, obwohl industrielle Bioprozesse in der Regel als Substrat-limitierende Fed-Batch-Prozesse unter der Kontrolle der Kohlenstoffzudosierung und des pH-Wertes ablaufen, und
  • die Nichtberücksichtigung des Einflusses von Konzentrationsgradienten, die insbesondere in großskaligen Prozessen auftreten, und durch mechanische Limitationen im Leistungseintrag der Rührer verursacht werden können.

Bei Batch-Prozessen im Labormaßstab ist die Kohlenstoffquelle anfänglich in hoher Konzentration vorhanden, wodurch sich der pH-Wert über die Zeit verändern kann, da viele Bakterien bei exponentiellem Wachstum organische Säuren bilden. Bei der Gelöstsauerstoffkonzentration können im Schüttelkolben lokal Gradienten entstehen.

Darüber hinaus weisen Kulturen in Schüttelkolben keine signifikanten Konzentrationsgradienten von Medienbestandteilen auf. Mikroloch-Platten unterliegen denselben Einschränkungen wie Schüttelkolben, wobei hier auch wenige zusätzliche Informationen gewonnen werden können, da Probenahmen und Präzisionsanalysen durch die kleinen Volumina nur begrenzt möglich sind.

Es ist sehr wichtig, die Grenzen der Aussagekraft der Ergebnisse in jedem Kulturmaßstab zu kennen (Mikroplatte, Kolben, Minireaktor, große Reaktoren im Industriemaßstab). Zusätzlich ist es von großer Bedeutung, zuverlässige mathematische und analytische Methoden, sowie Überwachungs- und Kontrollverfahren zu entwickeln und anzuwenden, um hinreichend genaue Informationen in den verschiedenen Entwicklungsstufen zu gewinnen.

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