Gradienten im Visier – So optimieren Sie industrielle Bioprozesse

Anbieter zum Thema

tritec

TOSOH Bioscience GmbH

t & p Triestram & Partner GmbH

Eppendorf SE

Zwei Kompartimente für Scale-down-Bioreaktoren

Die Wissenschaftler Michael Limberg und Marco Oldiges der Gruppe für Bioprozesse und Bioanalytik am Forschungszentrum Jülich haben ein Zwei-Kompartiment-Bioreaktorsystem genutzt, um den Einfluss von oszillierenden Substrat- und Gelöstsauerstoffkonzentrationen auf ihren Bioprozess zu untersuchen. Mithilfe von zwei miteinander verbundenen, gerührten Bioreaktoren haben sie die inhomogenen Kultivierungsbedingungen, wie sie im Produktionsmaßstab auftreten, erfolgreich im Labormaßstab imitiert.

Corynebacterium glutamicum – ein Klassiker als Fallbeispiel

Die Jülicher Wissenschaftler beschäftigen sich intensiv mit dem Optimieren von mikrobiellen Bioprozessen. Dabei arbeiten sie unter anderem mit Corynebacterium glutamicum, einem wohlbekannten Bakterium, das als Plattformorganismus in der Nahrungs- und Futtermittelindustrie häufig zur Produktion von Aminosäuren genutzt wird.

Bildergalerie

Ziel der hier vorgestellten Studie war es, ein zuverlässiges Scale-down-System zu etablieren, das Vorhersagen zu potenziellen Qualitätsverlusten und damit steigenden Produktionskosten bei einer Maßstabserhöhung ermöglicht. Solche Pro­gnosen können genutzt werden, um bei einer Vielzahl von Prozessvarianten und Produtionsstämmen die Kombination zu ermitteln, die am besten für einen Transfer in den industriellen Produktionsmaßstab geeignet ist. Als Modellprozess wählten die Wissenschaftler einen C.-glutamicum-Fed-Batch-Prozess zur Produktion von L-Lysin.

Um ein geeignetes Bioreaktorsystem auszuwählen, haben die Wissenschaftler zuallererst einen Anforderungskatalog erstellt. Bei der Auswahl der geeigneten Kultivierungsplattform war es ihnen wichtig, für eine optimale Flexibilität mindestens vier parallel betriebene, gerührte Bioreaktoren nutzen zu können. Dies ermöglicht es, zeitgleich mehrere Zwei-Kompartiment-Bioreaktorsysteme mit unterschiedlichen Gefäßgrößen, verschiedenen Volumenverhältnissen, diversen Füllständen oder variabler Sensortechnik einzurichten. Ebenfalls war es Voraussetzung, dass die Prozessbedingungen in den einzelnen Kompartimenten des Systems unabhängig voneinander überwacht und kontrolliert werden können.

Die Hardwarebasis: Ein paralleles Bioreaktorsystem

Mit den genannten Anforderungen fiel die Wahl auf ein vierfach paralleles Dasgip-Bioreaktorsystem von Eppendorf. Dieses System ermöglichte Duplikat-Ansätze von je zwei miteinander verbundenen Gefäßen. Zusammengenommen hatten beide Gefäße ein Arbeitsvolumen von 1 L, wobei der größere Bioreaktor (BR 1) mit 780 mL einen Volumenanteil von 78% beinhaltete und der kleinere Bioreaktor (BR 2) mit 220 mL Arbeitsvolumen einen Anteil von 22%. Beide Bioreaktoren waren mit optischen Hamilton-Sauerstoffsensoren Visiferm DO 225 und pH-Sensoren 405-DPAS-SC-K8S von Mettler-Toledo ausgestattet. Das Überwachen von pH und Gelöstsauerstoffkonzentration erfolgte mit einem Dasgip-PH4PO4-Modul von Eppendorf. Die Temperatur- und Agitationskontrolle sowie Titration und Substratzugabe erfolgten mit Dasgip-TC4SC4-Kontroll- bzw. MP8-Multipumpen-Modulen. Das größere BR-1-Gefäß wurde als aerobes Kompartiment zusätzlich mit einem Dasgip-MF4-Begasungsmodul ausgerüstet. Um ein konstantes volumetrisches Verhältnis in den beiden Bioreaktoren zu gewährleisten, wurde im kleinen Reaktor BR 2 ein Tauchrohr auf entsprechender Höhe montiert. Ein dauerhafter Austausch der Kulturflüssigkeit zwischen den beiden Kompartimenten wurde durch die Verwendung von zwei peristaltischen Watson-Marlow-Pumpen erreicht. Dabei wurde die Master-Pumpe auf eine definierte Flussrate von BR 1 nach BR 2 eingestellt. Die Rückflusspumpe von BR 2 nach BR 1 wurde mit einer um 30% schnelleren Rotation im Vergleich zur Master-Pumpe verwendet. Zur Bioprozesskontrolle wurde die Software Dasware control 5 von Eppendorf eingesetzt.

(ID:44216210)