Suchen

Prozessentwicklung

Fed-Batch-Prozessentwicklung in geschüttelten Kulturen

Seite: 3/3

Firmen zum Thema

Mikroloch-Platten vs. Kolben

Wie in Abbildung 2 zu sehen ist, sind alle Verläufe des gelösten Sauerstoffs charakteristisch für eine substratlimitierte Fed-Batch-Kultivierung. Die Aktivität des Biokatalysators bleibt bei jedem Experiment quasi konstant. Dies führt wiederum zu einer quasi-konstanten Fütterung mit Glukose über die ganze Kultivierungsperiode hinweg. In der ersten Phase ist durch die geringe Zelldichte die Glukose-Aufnahme eingeschränkt, was in Folge zu einer Anreicherung von Glukose und zu einer initialen exponentiellen Wachstumsphase führt, wie sie auch in den meisten industriellen Prozessen gewünscht ist. Der starke Anstieg der Atmungsrate der Bakterien in Verbindung mit dem exponentiellen Biomasseanstieg wird im beschleunigten Absinken der DO-Kurve deutlich. Der abnehmende pH-Wert zeigt, dass die Bakterien organische Säuren, hauptsächlich Essigsäure, exkretieren. Die zweite Phase ist durch Substratlimitation charakterisiert. Die überschüssige Glukose wurde aufgebraucht, die Raten für das Wachstum und die Atmung der Zellen werden durch die Freisetzungsrate der Glukose in der jeweiligen Kultur bestimmt. Der initiale Abfall der Gelöstsauerstoff-Konzentration ist sowohl im SDR als auch im SFR-System von der Menge des Glukose-freisetzenden Biokatalysators in der jeweiligen Kultur abhängig. Durch eine optimierte Dosierung des Biokatalysators, kann die Freisetzungsrate von Glukose so eingestellt werden, dass keine anaeroben Phasen während der Kultivierung auftreten (s. Abb. 2 A – C). Wie erwartet, ist der Sauerstofftransfer in den Schüttelkolben besser als im Mikroloch-Plattensystem, sodass die Enzymkonzentration im Schüttelkolben von 4,0 auf 23,3 U L-1 erhöht werden kann, ohne dass eine Sauer-stofflimitierung auftritt. Die Trends, die in Mikroloch-Platten im SDR-System auftreten, lassen sich mit dem SFR-Schüttelkolben-System reproduzieren; ähnliche DO- und pH-Wert-Profile wurden in beiden Systemen aufgezeichnet (s. Abb. 2 D – F), was die Reproduzierbarkeit der Kultivierungen bestätigt. Variationen zwischen verschiedenen Kavitäten oder verschiedenen Kulturen sind statistisch nicht signifikant (Daten nicht abgebildet).

Zusammenfassung

Sauerstoff- und pH-Wert-Messungen sind für die Überwachung des physiologischen Status einer Kultur in der Bioproduktion unerlässlich. Die Möglichkeit, den Sättigungsgrad des gelösten Sauerstoffs und den pH-Wert bereits in frühen Entwicklungsstadien, wie in Screening-Experimenten in Mikroloch-Platten und Schüttelkolben überwachen zu können, ist ein wichtiger Beitrag zu einer schnelleren Bioprozessentwicklung. Kombiniert man diese Messsysteme mit passenden Kontrollstrategien und einer weiterführenden Modell-basierten Versuchsplanung, werden in wenigen Experimenten mit geringem Aufwand an Zeit und händischer Arbeit die grundlegenden Daten für eine effiziente Maßstabsvergrößerung erzielt. Die Relevanz von Screeningexperimenten im kleinen Maßstab für den großen Produktionsmaßstab nimmt zu, wenn zelluläres Wachstum unter aeroben, substratlimitierten und pH-stabilisierten Bedingungen durchgeführt werden kann. Kontrollierte Fed-Batch-Kulturen im Labormaßstab erlauben es, nicht nur wesentlich höhere Zelldichten und Produktausbeuten zu erzielen, sondern haben auch eine größere Ähnlichkeit zu den Bedingungen im Produktionsmaßstab. Kombiniert mit Substratpulsen lassen sich bereits in diesem Stadium die heterogenen Bedingungen im industriellen Maßstab ungefähr nachbilden, in denen die Zellen stetig wechselnden Zonen von Substrathunger und Substratüberschuss ausgesetzt sind.

* F. Glauche, Dr. M. N. Cruz Bournazou, Dr. A. Knepper, M. Föllmer, Dr. S. Junne, und Prof. Dr. P. Neubauer: Fachbereich Bioverfahrenstechnik, Lehrstuhl für Biotechnologie, TU Berlin, 13355 Berlin

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Kontaktieren Sie uns über: support.vogel.de (ID: 42952797)