High cell density fermentations of recombinant microorganisms using a pressurized, pilot scale bioreactor

Knabben, Ingo; Büchs, Jochen

doi:30418

High cell density fermentations of recombinant microorganisms using a pressurized, pilot scale bioreactor = Hochzelldichte-Fermentationen von rekombinanten Mikroorganismen in einem druckbeaufschlagten Bioreaktor in technischem Maßstab

Knabben, Ingo (Author)

2010

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Ingo Knabben

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2010

Umfang109 Bl. : graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2010

Zsfassung in dt. und engl. Sprache. - Druckausg.: Knabben, Ingo: High cell density fermentations of recombinant microorganisms using a pressurized, pilot scale bioreactor

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Büchs, Jochen (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2010-11-29

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-34668
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/459432/files/3466.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik (416510)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Fermentation (Genormte SW) ; Überdruck (Genormte SW) ; Biowissenschaften, Biologie (frei) ; pressure (frei) ; stirred tank reactor (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Da die meisten industriellen Fermentationsprozesse heutzutage darauf fokussieren, hohe Endkonzentrationen an Biokatalysatoren oder pharmazeutischen Wirkstoffen zu erreichen, ist es von entscheidender Bedeutung mikrobielles Wachstum unter dem Gesichtspunkt der Hochzelldichte zu untersuchen. Aus diesem Grund werden in der vorliegenden Arbeit verschiedene Versuche mit rekombinanten Mikroorganismen (Bakterien und Hefen) vorgestellt, die grundsätzlich alle in einem mit bis zu 10 bar Überdruck beaufschlagbaren Pilot-Bioreaktor durchgeführt wurden. Mit dem Ziel hohe Biomassekonzentrationen zu erreichen, wurden sowohl empirische Daten in Form von Batch- und Fed-Batch-Fermentationen als auch modell-gestützte Fed-Batch-Versuchsreihen untersucht. Desweiteren wurden Produktkonzentrationsverläufe (pDNA-Vakzin) aus Hochzelldichte-Fermentationen verglichen, die einerseits mit erhöhtem Reaktorkopfdruck und andereseits drucklos mit Sauerstoff angereicheter Zuluft erreicht wurden. Parallel zu diesen Fermentationsergebnissen konnten die bisher höchsten Werte mit konventioneller, Online-Messtechnik (Kapazität und Atmungsaktivität) generiert werden, die gleichzeitig für den Nachweis einer jeweilig viabilen, mikrobiellen Kultur im laufenden Bioprozess herangezogen werden konnten. Konkret konnten hier lineare Korrelationen zwischen Biomasse und Kapazität bis zu einer Biotrockenmasse von 180 gL-1 und Sauerstofftransferraten von bis zu 1 molL-1h-1 aufgezeigt werden. Weiterhin konnte in dieser Arbeit herausgearbeitet werden, dass der Sauerstoffbedarf von extremen Hochzelldichte-Fermentationen sowohl in Batch- als auch in Fed-Batch-Prozessen mit einem stetigen Steigern des Reaktorkopfdrucks bis zu 10 bar Überdruck in einem gerührten Bioreaktor gedeckt werden kann. Deshalb kann diese Prozessstrategie zukünftig dazu führen, unüblich hohe Konzentrationen an Biomasse und / oder –produkt zu erreichen, was wiederum zu einer verringerten Bioreaktorauslastung und / oder zu einer verringerten Bioreaktorgröße führen könnte.

As industrial fermentation processes mostly focus on producing high target concentrations of biocatalysts or pharmaceutical ingredients, it is important to investigate cell growth under high cell-density conditions. Thus, in this work different recombinant microorganisms (bacteria and yeast strains) were basically cultivated in a pressurized, pilot-scale bioreactor to high cell density. Focussing on high biomass concentrations, empirical (batch mode and fed-batch mode) and model-based process strategies (fed-batch mode) were investigated. Furthermore, in one case product concentration (pDNA-vaccine) conducted under pressurized conditions was directly compared to a non-pressurized process strategy (using oxygen-enriched air). Moreover, the highest ever shown process values for conventional online measurement techniques (capacitance and respiration activity) could be pointed out, validating viability of the microbial cultures during aerobic bioprocesses. Here, linear biomass/capacitance correlations up to biomass concentrations of 180 gL-1 and oxygen transfer rates up to 1 molL-1h-1 were reached. For batch and fed-batch processes it could be shown that increasing the head-space pressure in stirred bioreactors can be a practicable approach to provide the oxygen demand of extremely high cell-density cultures. Consequently, for reaching unusual high amounts of biomass or product, process strategies for high cell-density under increased head-space pressure could lead to a minimized bioreactor capacity utilization or minimized bioreactor size.

Fulltext:
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