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Microfluidic bioprocess control in baffled microtiter plates = Microfluidische Regelung von Bioprozessen in Mikrotiterplatten mit Schikanen



Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Matthias Funke

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2011

UmfangIX, 97 S. : Ill., graph. Darst.


Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2010


Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter


Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2010-12-17

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-37862
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/64476/files/3786.pdf

Einrichtungen

  1. Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik (416510)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Mikrofluidik (Genormte SW) ; Fermentation (Genormte SW) ; Regelung (Genormte SW) ; Mikrotiter-Platte (Genormte SW) ; Schikane <Technik> (Genormte SW) ; Strombrecher (Genormte SW) ; Schüttler (Genormte SW) ; In-vitro-Kultur (Genormte SW) ; Biowissenschaften, Biologie (frei) ; Mikrotiterplatte (frei) ; Bioprozess (frei) ; microfluidic (frei) ; fermentation (frei) ; microtiter plate (frei) ; control (frei) ; baffle (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570
rvk: WF 9720 * WF 9725

Kurzfassung
Die Effektivität eines biotechnologischen Produktionsprozesses wird maßgeblich durch die Auswahl (screening) geeigneter Biokatalysatoren sowie die Charakterisierung der optimalen Betriebsbedingungen bestimmt. Hierfür ist eine Vielzahl von Experimenten (high-throughput screening) notwendig, was allerdings einer zügigen Bioprozessentwicklung oftmals entgegensteht. Das in dieser Arbeit entwickelte Mikrofermentationssystem auf Basis von Mikrotiterplatten (MTPen) soll zur Lösung dieses Widerspruchs beitragen. Basis des Systems ist die BioLector-Technologie. Dieses faseroptische Meßsystem ermöglicht die Online-Erfassung wichtiger Fermentationsparameter in jeder Kavität einer MTP. Um ihre Anwendung als Mikrofermenter weiter zu verbessern, wurden die Stofftransfereigenschaften in MTPen durch das Einbringen von Stromstörern optimiert und eine aktive Prozesskontrolle mittels mikrofluidischer Bauteile integriert. Moderne Screeninguntersuchungen werden bevorzugt in MTPen durchgeführt, obwohl die für diese Anwendungen bislang nicht optimiert wurden. Ein Nachteil bei ihrer Anwendung ist der geringe Sauerstoffeintrag ins Kulturmedium. Eine prinzipielle Lösung dieses Problems besteht im Einbringen von Stromstörern in die einzelnen Kavitäten der MTP. Um den Einfluss von Stromstörern auf Sauerstofftransfer und Hydrodynamik der rotierenden Flüssigkeit detailliert zu untersuchen, wurden in der hier vorgestellten Arbeit 30 verschiedene Stromstörergeometrien in die Kavitäten einer 48-Well MTP integriert. Es konnte gezeigt werden, dass damit die Sauerstofftransferkapazität (OTRmax) auf einen Wert von mehr als 100 mmol/L/h (kLa > 600 1/h) verdoppelt werden kann. Gleichzeitig konnte die Steighöhe der rotierenden Flüssigkeit reduziert und somit das anwendbare Kulturvolumen maximiert werden. Die dadurch gesteigerte Flüssigkeitsmenge am Boden der Kavität ermöglichte zusätzlich eine Verbesserung der Messwertaufnahme durch den BioLector. Als Optimum wurde eine Kavitätengeometrie identifiziert, die sechs halbkreisförmige Ausstülpungen aufweist und in ihrer Form an eine Blumenblüte erinnert. Bislang war die systematische Beschreibung und Standardisierung von Stromstörern geschüttelter Bioreaktoren nicht möglich. In der hier vorgestellten Arbeit konnte jedoch eine Beziehung zwischen dem OTRmax sowie der Steighöhe der rotierenden Flüssigkeit zum Umfang der Querschnittsfläche der Kavitäten aufgestellt werden. Diese Beziehung erlaubt erstmals die systematische Beschreibung der beobachteten Stromstöreffekte und die Definition eines „Bewehrungsgrades“ geschüttelter Bioreaktoren. Weiterhin konnte ein Maximum des Bewehrungsgrades identifiziert werden, welches nicht überschritten werden sollte, um eine gleichmäßige Flüssigkeitsbewegung und einen hohen Sauerstoffeintrag zu gewährleisten. Dieses Konzept kann in Zukunft zur Auslegung neuer Stromstörer dienen. Im Produktionsmaßstab werden biotechnologische Prozesse zumeist unter Kontrolle des pH Wertes und unter Zufuhr von Substratlösungen (fed-batch) durchgeführt. In MTPen jedoch, kann im Normalfall auf solche aktive Prozesskontrolle nicht zurückgegriffen werden, da diese zumeist auf komplexe Hardware angewiesen ist. Die daraus folgende Beschränkung auf einfache, diskontinuierliche (batch) Prozesse kann die Maßstabsübertragung (scale-up) des Bioprozesses beeinträchtigen. Um der Diskrepanz zwischen den Kultivierungsmaßstäben entgegenzuwirken, wurde in dieser Arbeit die BioLector-Messtechnologie mit mikrofluidischer Prozesskontrolle in MTPen kombiniert. Zusammen mit dem Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik 1 der RWTH Aachen wurde hierfür ein Konzept entwickelt, bei dem Mikrofluidikbauteile den Boden konventioneller MTPen ersetzen. In pH kontrollierten sowie in Fed Batch Fermentationen mit Escherichia coli wurde die Funktionsfähigkeit dieser Technologie nachgewiesen. Außerdem konnte das Scale-Up dieser Mikrofermentationen in den Maßstab eines 1 L Laborfermenters erfolgreich realisiert werden. Spezielles Augenmerk wurde bei der Konzeptentwicklung auf die Anwenderfreundlichkeit des Systems gelegt. Um diese zu gewährleisten wurden Einweg-Mikrofluidikbauteile sowie eine benutzerfreundliche Steuerungshardware entwickelt. Das in dieser Arbeit vorgestellte Mikrofermentationssystem kombiniert verschiedene Vorteile: (1) verbessertes Reaktordesign durch die Verwendung von MTPen mit Stromstörern; (2) mikrofluidische Prozesskontrolle in Einweg-Kulturgefäßen; (3) benutzerfreundliche Steuerungs- und Messhardware; (4) umfassende Online-Überwachung der Fermentationsparameter. Die Zusammenführung dieser Vorteile erlaubt die Nutzung von Einweg-MTPen mit Mikrofluidik in einem Mikrofermentationssystem, welches auch für den Routineeinsatz im Laboralltag geeignet ist. Diese Technologie ermöglicht die Durchführung skalierbarer, umfassend geregelter und überwachter Fermentationen im Mikrolitermaßstab. Damit wird es möglich, die Effizienz von Screening und Bioprozessentwicklung zu steigern.

The efficiency of biotechnological production processes depends on selecting the best performing biocatalyst and the optimal operation conditions. Thus, during the screening and process development phases, many experiments have to be conducted, which conflicts with the demand to speed up drug development processes. This conflict is addressed, for example, by the fiber-optic online-monitoring system BioLector which utilizes the wells of shaken microtiter plates (MTPs) as small-scale fermenters. In this thesis, the BioLector technology is enhanced by incorporating microfluidic bioprocess control in design-optimized, baffled MTPs. Today, shaken MTPs are the preferred vessels for microbial cultivations in high throughput. Although, oxygen transfer in shaken bioreactors is often insufficient, this problem can generally be addressed by the introduction of baffles. Therefore, the focus of this study is to investigate how baffling affects the oxygen transfer in MTPs. On a 48-well plate scale, 30 different cross-section geometries of MTP wells were studied. It could be shown that the introduction of baffles into the circular cylinder of a MTP well doubles the maximum oxygen transfer capacity (OTRmax), resulting in values above 100 mmol/L/h (kLa > 600 1/h). To also guarantee a high volume for microbial cultivation, it is important to maximize the filling volume applicable during orbital shaking. Additionally, the liquid height at the well bottom was examined, which is a decisive parameter for online measurement by the BioLector. Ultimately, a six-petal flower-shape was identified as the optimal well geometry. Up to now, the geometry of baffles has neither been standardized, nor has their influence on hydrodynamics and cultivation conditions been systematically described. However, in this work a novel correlation was established by relating the measured values of OTRmax and filling height to the corresponding perimeter of the well cross-section area. This correlation systematically showed the influence of baffles in shaken vessels. Furthermore, it allows one to define the perimeter of the well cross-section area as the actual criterion for the so-called “degree of baffling”. Additionally, a maximum baffling degree can be identified which should not be exceeded in order to avoid irregular liquid behavior and a decrease in the OTRmax. Consequently, this perimeter criterion provides a helpful tool to describe different baffle geometries and design new baffles. In industrial-scale biotechnological processes, the active control of the pH-value combined with the controlled feeding of substrate solutions (fed-batch) is the standard cultivation strategy. On the contrary, for small-scale cultivations, much simpler batch experiments with no process control are performed. This conflict between the scales often hinders researchers to scale up and scale down fermentation experiments. While small-scale batches are typically performed in high throughput, large-scale cultivations demand sophisticated equipment for process control. Currently, there is no technical system on the market that solves this conflict and realizes complete process control in high throughput. The novel concept of the microfermentation system described in this work combines the BioLector system together with microfluidic control of cultivation processes in volumes below 1 mL. To achieve this, in cooperation with the Institute for Materials in Electrical Engineering 1 of the RWTH Aachen University, a concept was developed in which microfluidic chips replace the bottom of conventional MTPs. The suitability of this system has been proven by pH-controlled and fed-batch fermentations of Escherichia coli in the microfluidic MTPs. Thereby, the aim was to establish a novel technology but simultaneously to focus on their use in routine laboratory work. Therefore, ready-to-use culture devices and user-friendly actuator hardware have been developed. Moreover, the scale-up potential of this system has been shown by obtaining equivalent fermentation results compared to a 1 L laboratory-scale stirred tank reactor. The developed microfermentation system combines four advantages: (1) improved microbioreactor design by applying the baffled MTPs, (2) microfluidic process control in disposable MTPs, (3) user-friendly system for connecting the microfluidic MTP to the pneumatic actuator hardware, (4) advanced online-monitoring by the BioLector technology. Integrating the aforementioned properties into one system allows microfluidic MTPs to be used as disposable, ready-to-use cultivation vessels in a user-friendly, “plug-and-cultivate” microfermentation system. This technology narrows the gap between microscale and production scale, since it allows scalable, fully controlled and fully monitored fermentations in working volumes below 1 milliliter. In conclusion, the developed system is a valuable tool for meaningful screening and process development.

Fulltext:
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Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis

Format
online, print

Sprache
English

Interne Identnummern
RWTH-CONV-125781
Datensatz-ID: 64476

Beteiligte Länder
Germany

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OpenAccess

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The record appears in these collections:
Document types > Theses > Ph.D. Theses
Faculty of Mechanical Engineering (Fac.4)
Publication server / Open Access
Public records
Publications database
416510

 Record created 2013-01-28, last modified 2022-04-22


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