Gradienten im Visier – So optimieren Sie industrielle Bioprozesse

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Bioprozess in drei Phasen – Praxistest gelungen

Die durchgeführten C.-glutamicum-Scale-down-Kultivierungen lassen sich in drei Phasen unterteilen. Während der initialen Phase waren jeweils nur die großen BR-1-Gefäße in Benutzung. In diesen wurde der Prozess mit einem Volumen von 1 L gestartet. Ein Überfluss an Glukose und Sauerstoff charakterisieren diesen Kultivierungsabschnitt mit besten Wachstumsbedingungen für die Bakterien. In der zweiten Phase wurden die unbegasten, kleineren BR-2-Gefäße angeschlossen, und so die oszillierende Kultivierung zwischen dem aeroben und dem nicht begasten Kompartiment gestartet. Die dritte Phase wurde mit dem Beginn der exponentiellen Substratzuführung in die nicht begasten BR-2-Gefäße initiiert. Als Resultat lagen in den größeren BR-1-Gefäßen eine ausreichende Sauerstoffversorgung vor, während Glukose limitiert war. In den kleinen BR-2-Bioreaktoren hingegen war die Sauerstoffkonzentration limitiert und Substrat im Überschuss vorhanden.

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Mit dem hier beschriebenen Scale-down-System ist es den Wissenschaftlern am Forschungszentrum Jülich gelungen, eine Gradientenbildung, ähnlich der im großtechnischen Maßstab, zu simulieren. Im BR 2 wurden unter Sauerstofflimitierung organische Säuren produziert und im BR 1 aufgrund der Glukoselimitierung reassimiliert. Damit handelt es sich unter diesen Bedingungen um einen Mehrsubstratprozess. Das bakterielle Wachstum wurde durch die Zirkulation zwischen unterschiedlichen Versorgungsbedingungen nicht negativ beeinflusst. Damit ist es nun möglich, schnell und zuverlässig weitere Korrelationen zwischen der Adaption des bakteriellen Stoffwechsels und inhomogenen Stoffverteilungen im Bioreaktor zu untersuchen. Es wurde gezeigt, dass Dasgip-Parallele-Bioreaktorsysteme und die Bioprozess-Kontrollsoftware Dasware control 5 ein flexibles und dabei leistungsstarkes Gespann bilden um Scale-down-Systeme zu etablieren. Die individuelle Kontrolle der Prozessparameter in jedem Gefäß war die Voraussetzung für das Einstellen von aeroben in einem und mikro-aeroben Bedingungen in dem anderen Bioreaktor. Die präzise pH-Kontrolle gewährleistete, dass der Einfluss von sauren Nebenprodukten ausgeglichen werden konnte und somit die reinen Effekte der Sauerstoff- und Substratinhomogenität untersucht wurden. Das Einbinden eines exponentiellen Substratzugabe-Profils und damit das Sicherstellen einer konstanten Wachstumsrate wurden durch die Scripting-Funktion der Dasware-Software ermöglicht.

Frühe Entwicklungsphase von Bioprozessen nutzen

Mit Zwei-Kompartiment-Scale-down-Bioreaktoransätzen lassen sich bereits in der frühen Entwicklungsphase von Bioprozessen Phänomene aufdecken, die nach klassischen Methoden möglicherweise erst im Produktionsmaßstab zu Tage getreten wären. Das spart Zeit und Geld und fördert die Wettbewerbsfähigkeit. Mit den richtigen Methoden steht der zuverlässigen Maßstabvergrößerung und einer erfolgreichen Bioprozess-Optimierung somit nichts mehr im Wege.

Literatur:

[1] M.H. Limberg, S. Zelle, C. Schlottbom, and M. Oldiges. Simulating Process Limitations in Microbial Cultivation, Eppendorf Application Note 301. (2016)

[2] M.H. Limberg, V. Pooth, W. Wiechert, M. Oldiges. Plug flow versus stirred tank reactor flow characteristics in two-compartment scale-down bioreactor: Setup-specific influence on the metabolic phenotype and bioprocess performance of Corynebacterium glutamicum. Eng. Life Sci. doi: 10.1002/elsc.201500142. (2016)

[3] P. Neubauer, S. Junne. Scale-down simulators for metabolic analysis of large-scale bioprocesses. Curr. Opin. Biotechnol. doi: 10.1016/j.copbio.2010.02.001. (2010)

[4] R. Takors. Scale-up of microbial processes: impacts, tools and open questions. J. Biotechnol. doi: 10.1016/j.jbiotec.2011.12.010. (2012)

* C. Hüther-Franken: Wissenschafts­kommunikation Hüther-Franken, 52076 Aachen

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