Design and application of calorimeters for monitoring biological processes in stirred tank bioreactors

Regestein, Lars; Büchs, Jochen

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-44188

Design and application of calorimeters for monitoring biological processes in stirred tank bioreactors = Entwicklung, konstruktive Umsetzung und Anwendung kalorimetrischer Messmethoden zur Überwachung und Untersuchung biologischer Prozesse in Rührkesselreaktoren

Regestein, Lars (Author)

2013

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Lars Regestein

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2013

UmfangXIII, 82 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2012

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Büchs, Jochen (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2012-11-30

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-44188
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/211794/files/4418.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik (416510)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Kalorimetrie (Genormte SW) ; Rührreaktor (Genormte SW) ; Prozessüberwachung (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; calorimetric monitoring (frei) ; stirred tank reactor (frei) ; product formation (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Entwicklung neuer Messtechniken zur online Überwachung von Prozessen ist stets von großem Interesse für industrielle und wissenschaftliche Anwendungen. Unabhängig von der Art des Stoffumsatzes, d. h. von einfachen chemischen Reaktionen 0. Ordnung, bis hin zu komplexen metabolischen Netzwerken in Lebewesen, stellt die Messung von frei werdender Reaktionswärme (Kalorimetrie) eine universelle Möglichkeit dar, Prozesse zu überwachen und zu untersuchen. Aus diesem Grund wurden für die Prozesskontrolle von Bioreaktoren zwei neue kalorimetrische Messverfahren entwickelt, validiert und angewendet – die Chip-kalorimetrie und die Reaktorkalorimetrie. Die Validierung der kalorimetrischen Messverfahren erfolgte mittels Abgasanalyse der untersuchten Prozesse und dem oxikalorischen Äquivalent. Das oxikalorische Äquivalent basiert auf der Thornton-Regel, welche besagt, dass die Verbrennungsenthalpie linear mit dem Reduktionsgrad korreliert (-115 kJ je mol ausgetauschter Elektronen). Wendet man dies beispielsweise auf die Oxidation von Glukose (bezogen auf C, Reduktionsgrad von 4) an, erhält man das oxikalorische Äquivalent von -460 kJ pro Mol verbrauchten Sauerstoffs. Würde man die vollständige Oxidation von Glukose kalorimetrisch bestimmen, erhielte man die gleiche gemessene Wärmemenge, wie bei der Messung des verbrauchten Sauerstoffs und dessen Umrechnung mittels oxikalorischen Äquivalent in eine Wärmemenge. Da der Metabolismus von Lebewesen deutlich komplexer ist, als die reine Oxidation von Glukose, wurde zur Validierung der kalorimetrischen Messmethoden ein genetisch modifizierter Escherichia coli Stamm (VH33) ausgewählt. Dieser kommt aufgrund seiner genetisch eingeschränkten Stoffwechselwege der Abstraktion einer reinen oxidativen Verbrennung von Glukose relativ nahe. Die Fermentationen dieses Stammes ermöglichten es, die kalorimetrischen Messungen der Prozesse mittels Abgasanalyse (und oxikalorischen Äquivalent) zu validieren. Das Chip-Kalorimeter, welches von der TU Bergakademie Freiberg entwickelt wurde, stellt eine Möglichkeit dar, kalorimetrische Messungen an jedem Reaktorsystem durchzuführen, welches über ein Septum verfügt. Zunächst wurden anhand von Fermentationen mit E. coli VH33 die Messungen des Chip-Kalorimeters mittels Abgasanalyse validiert. Es stellte sich dabei heraus, dass das Gerät bei Wärmeleistungen bis 1 W L-1 sehr genaue Messergebnisse lieferte (0.001 W L-1). Aufgrund kleiner Kapillardurchmesser, sowie der mangelnden Sauerstoffversorgung der Organismen in der Messkammer des Chip-Kalorimeters, war die kalorimetrische Messung höherer Biomassekonzentrationen zunächst nicht möglich. Das Gerät wurde daraufhin schrittweise konstruktiv modifiziert, so dass eine automatische Verdünnung der zu vermessenden biologischen Probe mit sauerstoffreicher NaCl-Lösung möglich wurde. Es konnte gezeigt werden, dass durch diese Modifikationen die obere Messgrenze des Chip-Kalorimeters auf mindestens 4 W L-1 erweitert werden konnte. Eine weitere Möglichkeit zur Detektion von freigesetzter Wärme bei biologischen Prozessen in Fermentern stellt die Bilanzierung des Kühl- und Heizkreislaufs des Reaktorsystems dar. Um dieses vollständig thermodynamisch bilanzieren zu können, müssen möglichst alle Wärmequellen und –senken des Systems bekannt sein. Um die im gesamten zu- oder abgeführte Wärme zu ermitteln, gibt es grundsätzlich zwei Möglichkeiten: 1) die Messung des Kühlmittelmassestroms zwischen Kühlmanteleingang und –ausgang, sowie die Ermittlung der Temperaturdifferenz zwischen Eingang und Ausgang des Kreislaufs; 2) die Bestimmung des Wärmedurchgangskoeffizienten von der Fermenterbrühe bis zur Kühlflüssigkeit, sowie die Ermittlung der Temperaturdifferenz zwischen der Reaktorinnentemperatur und der Temperatur des Kühlmantels. Beide Methoden wurden an einem 50 L Druckreaktor konstruktiv umgesetzt, mittels Fermentation von E. coli VH33 validiert und miteinander hinsichtlich ihrer Messqualität verglichen. Dabei stellte sich Variante 2, welche auf der Bestimmung des Wärmedurchgangskoeffizienten basiert, als die genauere heraus (für dieses Reaktorsystem). Als finaler Schritt wurde in diesem modifizierten Reaktor das Lysin bildende Bakterium Corynebacterium glutamicum DM1730 und der Itakonsäure produzierende Pilz Ustilago maydis kultiviert, um das Potential des kalorimetrischen Messsignals zur online Detektion von Produktbildung zu ermitteln. Hierbei konnte gezeigt werden, dass aus dem Verhältnis von Sauerstoffverbrauch zu freigesetzter Wärmeleistung, die Itakonsäure- und Lysin-Bildung nicht-invasiv und online, qualitativ nachgewiesen werden kann. Diese Beispiele zeigen deutlich, welches Informationspotential noch im Wärmesignal steckt.

Developing and improving online monitoring techniques for processes is always a matter of interest for industrial and research applications. Independent of kind and complexity of the reaction, measuring the heat generation (calorimetry) is a universal tool for process monitoring. Therefore, two new calorimetric measurement techniques (chip calorimeter and reactor calorimeter) for process monitoring in stirred tank reactors were developed, validated and applied to several biological systems. The validation was done by exhaust gas analysis and the application of the oxycaloric equivalent. By assuming the rule of Thornton, the enthalpy of combustion of organic compounds is linearly correlated to the relative degree of reduction (Thornton's rule: -115 kJ per mole accepted electrons). Since four moles of electrons are absorbed by one mole oxygen, a constant value for the oxygen related enthalpy of about -460 kJ mol-1 results. This is denoted as the oxycaloric equivalent. Consequently, if the enthalpy of the anabolic processes is neglected, the metabolic heat generation can be calculated based on the oxygen transfer rate. As a model organism for validating the calorimetric measurements, the genetic modified Escherichia coli strain VH33 was chosen. The genetic sequence of the phosphotransferase system (PTS) in the bacterial chromosome of this strain was deleted. The galactose permease (GalP), as an alternative uptake mechanism, was amplified on a genetic level to allow the passage of glucose across the plasma membrane. Therefore, this strain had a strictly reduced overflow metabolism and was the optimal organism for validating the calorimetric measurements of fermentations by exhaust gas analysis and the oxycaloric equivalent. One possibility for calorimetric monitoring of fermentations in stirred tank reactors is the chip calorimeter, developed by the TU Bergakademie Freiberg, which can be connected to every reactor system as long as a septum is available. The measurements of the device were validated by exhaust gas analysis (oxycaloric equivalent) of E. coli VH33 cultures. The measured results of the chip calorimeter were very precise (0.001 W L-1). However, the upper limit of the device was a heat generation of 1 W L-1 due to oxygen depletions in the measurement chamber at higher biomass concentrations. Therefore, the chip calorimeter was enhanced by an automatic sample dilution system, which mixed the sample with oxygen containing NaCl solution before measuring in the chamber. With this modification, the upper limit of the measurable heat generation was increased up to 4 W L-1. An alternative for measuring the heat generation of fermentations is to modify or design a whole stirred tank reactor as a calorimeter – the so called reactor calorimeter. This measurement principle based on the thermodynamic balancing of the cooling / heating water cycle of the reactor system. Consequently, all heat sources and sinks of the system should be known. In general, there are two ways for designing reactor calorimeters: 1) measuring the mass flow of the cooling liquid and the temperature difference between cooling cycle inlet and outlet; 2) determination of the heat transfer coefficient and the temperature difference between reactor inside and cooling cycle. Both methods were realized by modifying a 50 L stirred tank reactor and were validated and compared with each other by cultivating E. coli VH33. Ultimately, it could be shown that the second way, based on the determination of the heat transfer coefficient has a higher signal quality and should be chosen for all following applications. Finally, the modified reactor was used to investigate the potential of the calorimetric signal for online detection of product formation during fermentations. It could be demonstrated by determining the ratio between heat generation and oxygen consumption, that lysine formation of Corynebacterium glutamicum DM1730 and itaconic acid formation of Ustilago maydis can be online detected during fermentations in stirred tank reactors.

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