In situ product recovery from fermentation processes using reverse flow diafiltration

Carstensen, Frederike; Wessling, Matthias

doi:32810

In situ product recovery from fermentation processes using reverse flow diafiltration = In situ Produktabtrennung aus Fermentationsprozessen mit Reverse-flow-Diafiltration

Carstensen, Frederike (Author)

2014

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Frederike Carstensen

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2014

UmfangX, 185 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2013

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Wessling, Matthias (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2013-09-20

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-49206
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/229377/files/4920.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Chemische Verfahrenstechnik und Institut für Verfahrenstechnik (416110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Filtration (Genormte SW) ; Membran <Verfahrenstechnik> (Genormte SW) ; Bioreaktor (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Deckschichtbildung (frei) ; filtration (frei) ; membranes (frei) ; bioreactors (frei) ; cake layer (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Anwendung von Membranen im Bereich der Biowissenschaften ist zusammen mit dem verbesserten Verständnis von Membranprozessen in den letzten Jahren stark gestiegen. Die sogenannte „rote Biotechnologie” wird in medizinischen Prozessen angewandt, wie z.B. bei der Herstellung von Antikörpern. Weiße oder industrielle Biotechnologie beschäftigt sich mit industriellen Prozessen, wie z.B. der Produktion von Kraftstoffen sowie von Basischemikalien. Vor allem Downstream Prozesse, zu denen die Produktgewinnung und -aufreinigung gehören, sind hierbei sehr kostenintensiv. In situ Produktgewinnung ist eine Form der Prozessintensivierung, bei der die Reaktion und die Produktgewinnung in einem Prozessschritt vereint werden. Dadurch werden Kosten reduziert. Durch die Kombination dieser beiden Prozessschritte können Ausbeute und Produktivität erhöht sowie ein kontinuierlicher Betrieb gewährleistet werden. Membranen sind besonders vorteilhaft für die in situ Produktgewinnung, da gleichzeitig kontinuierliche Produktgewinnung und Zellrückhalt sowie ein einfacher Scale-up ermöglicht werden. Diese Arbeit stellt einen neuen Membranprozess mit dem Namen „Reverse-flow Diafiltration” vor. Dieser Prozess ermöglicht einen langfristig stabilen Betrieb bei niedrigen transmembranen Drücken. Hierzu werden getauchte Hohlfasermembranen in den Fermenter integriert. Zwei Flüssigkeitsströme werden abwechselnd über die Membran ausgetauscht: Einer führt dem Reaktor Nährlösung zu (Filtration von innen nach außen), der andere zieht Produktlösung aus dem Reaktor ab (Filtration von außen nach innen). Dadurch findet kein Nettofluss über die Membran statt und Deckschichtbildung durch Partikelanlagerung wird minimiert. Zusätzlich wird keine Produktlösung zum Rückspülen der Membran verschwendet. Zwischen den beiden Schritten wird ein sogenannter Entleerungsschritt eingesetzt, um das Totvolumen der Membran zu entleeren und damit die Produktausbeute zu erhöhen. Dieses Konzept der Reverse-flow Diafiltration wird mit verschiedenen Filtrationsmedien getestet, mit einer Hefe-Modellsuspension, einer pilzhaltigen Fermentationsbrühe sowie einer Fermentationsbrühe mit Antikörpern. Es wird außerdem ein Scale-up mit drei parallelen Membranen durchgeführt. Als Alternative zu den Hohlfasermembranen werden Membranen mit sehr hohem Flussbereich getestet, wie Mikrosiebe und Mikrogewebe. Die Machbarkeit des Konzepts der Reverse-flow Diafiltration wird in Versuchen mit einer Hefe-Modellsuspension nachgewiesen. Das Verfahren weist deutlich niedrigere transmembrane Drücke auf als das konventionelle Dead-End Verfahren mit Rückspülung. Um das Totvolumen im Membranlumen zu entleeren, werden verschiedene Entleerungsmethoden getestet. Es wird gezeigt, dass die Entleerung mit Permeat deutlich effektiver funktioniert und stabiler zu betreiben ist, als die Entleerung mit Luft. RFD mit Permeatentleerung wird in einem kontinuierlichen Fermentationsbetrieb zur Itakonsäureherstellung mittels Pilzzellen von Ustilago maydis getestet. Es zeigt sich, dass RFD auch bei der Filtration von solchen komplexen Suspensionen deutlich höhere Flüsse und Permeabilitäten aufweist als die konventionelle Dead-End-Filtration. RFD wird außerdem erfolgreich für die Gewinnung von Antikörpern getestet. Hierbei ist die Herausforderung, Proteinadsorption zu verhindern und gleichzeitig hohe Flüsse sowie Zellrückhalt zu erreichen. Es wird gezeigt, dass der Prozess erfolgreich zwei Wochen lang bei verschiedenen Durchflussraten betrieben werden kann. Reverse-flow Diafiltration ist sehr vielversprechend für zukünftige ISPR Prozesse, vor allem für kontinuierlich betriebene Reaktoren. Es gewährleistet eine stabile Filtration sowie konstante Produktkonzentrationen im Permeat. Die Betriebszeiten sind deutlich länger als bei konventionellen getauchten Prozessen. Vor allem für komplexere Fermentationsbrühen ist Reverse-flow Diafiltration vielversprechend, z.B. für Suspensionsen aus Pilzzellen, die durch eine hohe Viskosität sowie filamentöses Wachstum charakterisiert sind. Auch für scherempfindliche Zellen, wie z.B. tierische Zellen, bietet das Verfahren Vorteile, da es ohne hohe Cross-flow Geschwindigkeiten auskommt. Bezüglich Kapazität ist RFD bereits mit etablierten Verfahren wie Settlern, Cross-flow Filtrationsverfahren sowie Spinfiltern vergleichbar. In den letzten Jahren hat sich ein Trend hin zu single-use Systemen entwickelt, was eine hohe Flexibilität auf Marktnachfragen ermöglicht. Ein integriertes single-use Membranmodul könnte eine Langzeit-kontinuierliche Produktgewinnung gewährleisten. Für diese Anwendung haben getauchte Membranen mit Reverse-flow Diafiltration großes Potential.

The application of membranes in life sciences, e.g. in red and white biotechnology, has increased lately with the advanced understanding of membrane processes. Red biotechnology is applied to medical processes for human health care such as the production of antibodies. White or also-called industrial biotechnology deals with industrial processes e.g. the production of chemicals and fuels. Especially downstream processing for product recovery and purication is very cost-intensive. In situ product recovery (ISPR) presents a form of process integration where the formation and the separation of the product take place in one reactor thereby reducing costs. By combining these two steps, ISPR leads to higher productivities and yields and it enables continuous operation. Using membranes for ISPR is advantageous since a continuous product recovery and cell retention can be ensured at the same time with easy scale-up. This thesis presents a novel ISPR process named reverse-flow diafiltration. This process offers a long-term stable operation characterized by low transmembrane pressures. It features submerged hollow-fiber membranes which are integrated in the fermenter. Two liquid streams are exchanged alternatingly over the same membrane in a reverse-flow operation mode: One supplies the nutrient solution (inside-out filtration), the second one extracts product solution (outside-in filtration). As a result no net flux over the membrane occurs and cake-layer formation by particle accumulation is kept low. In addition no permeate is wasted for backflushing the membrane. A short emptying interval in-between the two steps using air or permeate respectively are applied, for emptying the inside dead volume of the membrane lumen to improve product yield. This concept of reverse-flow diafiltration is tested with different media such as model yeast suspension, fungi fermentation broth and antibody fermentation broth. A scale-up to three parallel membranes is conducted. Also high-flux microfiltration membranes, namely microsieves and micromeshes, are tested. A proof of principle of reverse-flow diafiltration is conducted using model yeast suspension at different cell concentrations. The concept shows much lower transmembrane pressures than conventional dead-end filtration with backflush. To empty the dead volume of the membrane lumen, different emptying modes are assessed. It is shown that emptying with permeate leads to a more effective emptying and stable operation than air emptying. RFD with permeate emptying is adapted to a continuous fermentation process for itaconic acid production using the fungi cells of Ustilago maydis. Also for such complex suspensions, RFD offers much higher fluxes and permeabilities than conventional dead-end filtration. Also for antibody fermentation reverse-flow diafiltration was successfully applied. Here the challenge was to prevent protein adsorption, enable stable fluxes and provide cell retention at the same time. The process was successfully operated for two weeks applying a wide range of dilution rates. The reverse-flow diafiltration process is very promising for future ISPR applications towards continuous fermentation processes. It enables stable filtration performance and product recovery values over longer time periods than conventional submerged processes. It is promising especially for more complex fermentation suspensions such as fungi suspensions, characterized by high viscosity and filamentous organisms. Also for shear-sensitive organisms, such as mammalian cells, RFD offers an advantage eliminating the need for high cross-flow velocities. In terms of capacity, RFD can already compete with state-of-the-art technology such as settlers, tangential-flow filtration or spin filters. During the last years a trend in biotechnology towards single-use systems has evolved providing a higher flexibility to market demand. An integrated single-use recovery device such as a membrane module could enable long-term continuous product recovery. Here submerged membranes using the reverse-flow diafiltration concept offer a great opportunity.

Fulltext:
PDF