Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Ein zukunftsweisender Ansatz f\u00fcr die Durchf\u00fchrung von kontinuierlichen und integrierten biotechnologischen Verfahren ist die Einbindung von Hohlfasermodulen in den Produktionsprozess. Diese sind in der Lage, auf einfache Weise die Abtrennung von Produkten oder die R\u00fcckhaltung von Verfahrensbestandteilen, wie Zellen oder immobilisierten Biokatalysatoren zu erm\u00f6glichen. Ferner lassen sich modifizierte und gezielt funktionalisierte Hohlfasern f\u00fcr die hochaffine Bindung von Metaboliten nutzen. Dies l\u00e4sst sich f\u00fcr die Isolierung von Wertstoffkomponenten, zur Entfernung qualit\u00e4tsmindernder Bestandteile und zur Aufreinigung von Rohprodukten ausnutzen. So k\u00f6nnen integrierte Produktionsabl\u00e4ufe aufgebaut werden, deren \u00f6konomische und \u00f6kologische Bilanz durch Ressourcenschonung, durch Verringerung der Produktkontamination, durch Energieeinsparung und durch Minderung der Reststofffrachten im Vergleich zu herk\u00f6mmlichen Produktionsprozessen erheblich verbessert wird.
\nZiel des Projekts ist die Entwicklung funktionalisierter Hohlfasermodule auf Basis der Mikrohohlfaserkassetten f\u00fcr die Bereiche Kultivierung und Downstreaming, um integrierte Prozessabl\u00e4ufe zu erm\u00f6glichen, sowie deren Testung und Etablierung an Modellsystemen.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenHerstellung von funktionalisierten Hohlfasermodulen mit den Arbeitsschritten Modifikation der Basismembranen, Immobilisierung von Ligandensystemen und Charakterisierung der Module. Testung, Optimierung und Einsatz der Module an Modellsystemen in den Bereichen Kultivierung und Downstreaming. Modellierung und Aufbau der modularisierten Systeme zur Etablierung integrierter Prozessabl\u00e4ufe.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Im Rahmen der durchgef\u00fchrten Arbeiten konnte aufgezeigt werden, dass fertige Hohlfasermembranen aus PES oder PS gezielt modifiziert werden k\u00f6nnen. Ausgehend von der epoxyaktivierten Hohlfaseroberfl\u00e4che besteht die M\u00f6glichkeit, verschiedene funktionelle Gruppen auf die Membran aufzubringen. Neben der Herstellung von Ionenaustauscher-Membranen (S, C, Q, D) k\u00f6nnen auch Metalle, die an eine mit IDA modifizierte Membran angebunden werden, auf die Hohlfaser aufgebracht werden. Die Beladungsdichten der entsprechenden Gruppen pro g Hohlfaser liegen im unteren \u00b5mol-Bereich. Modifizierte Membranmaterialien weisen keine Beeintr\u00e4chtigung der Porenstruktur auf, so dass sie im Bereich der Kultivierung und des Downstreamings eingesetzt werden k\u00f6nnen.
\nDie umfangreichen Arbeiten hinsichtlich Weiterentwicklung bzw. letztlich sogar einer vollst\u00e4ndigen Neukonstruktion des Mikrohohlfaserreaktors (MHFR) des Partners Saxonia erm\u00f6glichten den Aufbau eines differenzierten Reaktorsystems, das z. B. durch Integration eines R\u00fchrers, zus\u00e4tzlicher Hohlfasermembranlagen f\u00fcr eine O2-Begasung oder den Einbau einer faseroptischen online-Analytik erfolgreich im Anwendungsbereich Zellkultivierung eingesetzt werden kann. Um kontaminationsfreies Arbeiten zu gew\u00e4hrleisten, wurde ein umfangreiches Screening von Sterilisationsmethoden durchgef\u00fchrt und ein geeignetes Sterilisationsprotokoll erarbeitet. Zudem wurde ein Integrit\u00e4tstest zur \u00dcberpr\u00fcfung der Funktionsf\u00e4higkeit der Hohlfasermembranen im Modul etabliert. Das MHFR-System wurde w\u00e4hrend der Arbeiten in Bezug auf das Verweilzeit-, Mischungs- und Str\u00f6mungsverhalten u. a. reaktionstechnisch charakterisiert, um die Weiterentwicklung des Reaktorsystems zu \u00fcberpr\u00fcfen und um grundlegende technische Daten zu erarbeiten. Die Etablierung des MHFR-Systems im Bereich Zellkultivierung wurde anhand der Kultivierung einer Auswahl verschiedener Produktionsorganismen, wie Corynebacterium glutamicum, Bacillus megaterium und Escherichia coli durchgef\u00fchrt und der klassischen batch-Kultivierung im Sch\u00fcttelkolben gegen\u00fcbergestellt. Der Einsatz der miniaturisierten Hohlfasermodule eignet sich besonders, um integrierte Prozessabl\u00e4ufe zu realisieren. Ein Arbeitsbereich war die durch die entsprechenden E.coli- und B.megaterium-St\u00e4mme produzierten His-tag-Proteine effizient \u00fcber die mit Metall modifizierten Hohlfa-sern aufzureinigen und zu isolieren.
\nInsgesamt betrachtet ist der MHFR im Bereich biotechnologischer Prozesse vielf\u00e4ltig einsetzbar. Sowohl im Bereich Kultivierung als auch im Bereich Downstreaming erfahren die Hohlfasermodule eine Anwendung. Durch die Miniaturisierung des Reaktors kommt es zu einer erheblichen Energieeinsparung und Umweltentlastung. Mittels Kombination einzelner Hohlfasermodule zur Anordnung von Kaskaden oder Fl\u00e4chen ergibt sich ein geeignetes System f\u00fcr Screeninganalysen.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
DECHEMA-Jahrestagung der Biotechnologen 2006: Heterogeneous surface modification of hollow fiber membranes and application to integrated downstream processes (Vortrag) und Processing of a hollow fiber micro-bioreactor for applications in cultivation and downstreaming (Poster); European Symposium on Biochemical Engineering Science (ESBES): Applications for novel hollow fiber micro-bioreactor in cultivation and downstreaming (Vortrag) und Heterogeneous surface modification of hollow fiber membranes and the utilization of affinity membranes in purification processes (Poster). Zudem sind folgende Beitr\u00e4ge in Ver\u00f6ffentlichung: Development and characterization of a novel hollow fiber micro-bioreactor for cultivation of microorganisms (Journal of Biotechnology) und Heterogeneous surface modification of single hollow fiber membranes and novel hollow fiber micro-bioreactor (Journal of Membrane Science).<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Durch die Aufnahme neuer Arbeitspakete wie die Weiterentwicklung bzw. vollst\u00e4ndige Neukonstruktion des MHFRs, die den erfolgreichen Einsatz des Reaktors im Bereich Kultivierung erst erm\u00f6glicht haben, konnten die Arbeiten zum weiterf\u00fchrenden Arbeitspaket 7 (Anwendungsbereich Wirkstofftestung) im Rahmen der Projektlaufzeit nicht abschlie\u00dfend bearbeitet werden. Arbeitspakete zur Modifikation der Basismembran zur Anbindung von Liganden sowie der Aufbau und Charakterisierung der funktionalisierten Hohlfasermodule sind vollst\u00e4ndig abgeschlossen. Eine Vielzahl verschiedener Oberfl\u00e4chenfunktionalit\u00e4-ten der Hohlfasermembranen wurde generiert und an verschiedenen Targetmolek\u00fclen, die von den entsprechenden Mikroorganismen produziert werden, getestet. Weitere Arbeitspakete im Bereich Kultivierung und Downstreaming sind in den letzten Monaten intensiv bearbeitet worden und zeigen vielversprechende Ergebnisse. So liegen nun optimierte MHFR vor, die ein gro\u00dfes Potential f\u00fcr vielf\u00e4ltige Anwendungen zeigen. Durch die st\u00e4ndige Weiterentwicklung des MHFRs konnte die erfolgreiche Kultivierung verschiedenster Mikroorganismen gew\u00e4hrleistet werden.
\nDes Weiteren sind Strategien zur Aufreinigung und zum Nachweis der entsprechenden Produkte etabliert worden. Durch Kombination dieser beiden Arbeitsaspekte konnte die Option eines integrierten Downstream-Processings erarbeitet werden.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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