Weiterentwicklung einer Methode zur Bestimmung von Atmungsraten in geschüttelten Bioreaktoren

Hansen, Sven; Büchs, Jochen

doi:4497

Weiterentwicklung einer Methode zur Bestimmung von Atmungsraten in geschüttelten Bioreaktoren = Improvement of a method for determination of respiration activities in shaken bioreactors

Hansen, Sven (Author)

2013

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Sven Hansen

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2013

UmfangXXXIII, 126 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2012

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Büchs, Jochen (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2012-12-13

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-44970
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/210144/files/4497.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik (416510)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Sauerstofftransport (Genormte SW) ; Schüttelkolben (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Sauerstofftransferrate (frei) ; Kohlendioxidtransferrate (frei) ; Respiratorischer Quotient (frei) ; RAMOS (frei) ; Respiration Activity MOnitoring System (frei) ; oxygen transfer rate (frei) ; carbon dioxide transfer rate (frei) ; respiratory quotient (frei) ; shake flask (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Das Respiration Activity MOnitoring System (RAMOS) ist ein etabliertes Messgerät zur On-line-Bestimmung von Sauerstofftransferraten (OTR), welches wertvolle Informationen über metabolische Aktivitäten von Mikroorganismen und Zellen in Schüttelkolbenfermentationen liefert. Für sehr schnell wachsende Mikroorganismen liefert die RAMOS-Technik allerdings zu wenige Datenpunkte für den OTR. Daher wird in der vorliegenden Arbeit eine neue, modellbasierte Berechnungsmethode vorgestellt, mit der eine deutlich höhere Datendichte erzeugt und somit auch eine höhere Genauigkeit der OTR Messungen erreicht werden kann. Die konventionelle Methode zur Berechnung der OTR in RAMOS ist nicht geeignet, die Datendichte für den OTR zu erhöhen. Anstatt der Annahme einen Fließgleichgewichtes, berücksichtigt die neue Kalibrierstrategie auch das dynamische Verhalten der Gasphase. Durch die Anwendung der kompletten Sauerstoffbilanz im Gasraum und durch Datenapproximationsmethoden kann eine höherer Datendichte erzeugt werden. Kultivierungen mit E. coli BL21 pRSET eYFP-IL6 haben gezeigt, dass kurze diauxische oder sogar triauxische metabolische Aktivitäten im Vergleich zur konventionellen Auswertung viel detaillierter detektiert werden können. Während Sauerstofflimitierungen konnte ein Abfall der OTR während der Stopppasen, welche auftreten, wenn Ein- und Auslassventile der RAMOS-Kolben geschlossen werden, um die Sensoren zu kalibrieren, detektiert werden. Diese Abfälle spiegeln den reduzierten Sauerstofftransfer aufgrund der Stoppphasen wieder. Im Gegensatz zur konventionellen Methode ist die neue Methode nahezu unabhängig von der im Experiment ausgewählten Anzahl der Stoppphasen. Die neue Berechnungsmethode macht metabolische Aktivitäten sichtbar, die sonst nicht von der konventionellen RAMOS-Methode aufgelöst werden konnten. Die neue Methode führt zu deutlich mehr Datenpunkten und verbessert den Informationsgehalt und die Genauigkeit der Messungen. Weiterhin können kurze Sauerstofflimitierungen anhand eines Abfalls der OTR während der Stoppphase detektiert werden.

The Respiration Activity MOnitoring System (RAMOS) is an established device to measure on-line the oxygen transfer rate (OTR), thereby, yielding relevant information about metabolic activities of microorganisms and cells during shake flask fermentations. For very fast-growing microbes, however, the RAMOS technique provides too few data points for the OTR. Thus, this current study presents a new model based evaluation method for generating much more data points to enhance the precision of OTR measurements. The conventional method of calculating OTR in RAMOS is inadequate and, hence, not suitable for raising the data density of the OTR. Instead of assuming a steady state the new calibration strategy also considers the dynamic behavior of the gas headspace volume. By applying a complete oxygen headspace balance and data approximation methods a higher data density can be generated. Cultivations with E. coli BL21 pRSET eYFP-IL6 have shown that short diauxic and even triauxic metabolic activities can be detected with much more detail compared to the conventional evaluation. During oxygen limitations, a decline of the OTR during the stop phases, which occur when the inlet and outlet valves of the RAMOS flask are closed for calibrating the oxygen sensor, were also detected. These declines reflect a reduced oxygen transfer due to the stop phases. In contrast to the conventional calculation method the new method is almost independent from the number of stop phases chosen in the experiments. This new calculation method unveils new peaks of metabolic activity which otherwise would not have been resolved by the conventional RAMOS evaluation method. The new method yields substantially more OTR and CTR data points, thereby, enhancing the information content and the precision of the measurements. Furthermore, short oxygen limitations can be detected by a decrease of the OTR during the stop phases.

Fulltext:
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