Hochdurchsatz-Bioprozessentwicklung

FĂŒr die Entwicklung eines biotechnologischen Produktionssystems sind in der Regel dre miteinander verknĂŒpfte Aufgaben zu lösen:

Das Biokatalysator Design (Screening, Charakterisierung, Modifizierung), die Optimierung der Reaktionsbedingungen im Labormaßstab (Medium-Design, Temperatur etc.) und schließlich die Bioprozessentwicklung im technischen Maßstab.

Die Selektion aussichtsreicher Biokatalysatoren erfordert eine enorme Zahl von Parallelversuchen, die heute überwiegend in Schüttelkolben und Mikrotiterplatten durchgeführt werden. Die Optimierung der Reaktionsbedingungen erfolgt im Labormaßstab in der Regel ebenfalls im Parallelbetrieb in Satzreaktoren. Für die Übertragung in den technischen Maßstab, wo im Zulaufbetrieb (Fed-Batch-Betrieb) gearbeitet wird, sind zuvor aufwändige Versuchsreihen unter kontrollierten technischen Bedingungen erforderlich. Geeignete Paralleltechniken könnten die Entwicklungszeiten erheblich verkürzen und Ressourcen schonen.

Miniaturisiertes Bioreaktorsystem
Die Projektpartner entwickeln gemeinsam ein neuartiges System für die Hochdurchsatz- Bioprozessentwicklung. Mit dem neuen High-Throughput Bioprocessing System können in Einweg-Bioreaktoren gleichzeitig 48 Fermentationen unter kontrollierten Bedingungen automatisiert durchgeführt werden. Die Bioreaktoren haben ein Arbeitsvolumen von 5-10 ml. Durch das spezielle Design der Rührer werden so hohe Sauerstofftransferraten erzielt, dass sogar Hochzelldichtefermentationen im Milliliter- Maßstab möglich sind – eine wesentliche Voraussetzung für das erfolgreiche Up- und Down-Scaling industrieller Prozesse.

Hoher Automatisierungsgrad
Mithilfe der in die Einweg-Bioreaktoren integrierten, optischen Sensorelemente für pH-Wert und Sauerstoffgehalt, können diese wichtigen Prozessgrößen für jeden Ansatz individuell überwacht werden. Die Titration des pH-Wertes, Substratzuführung, Analytik, Probenahme und Probenvorbereitung werden durch einen handelsüblichen Laborroboter automatisiert. Ein neuartiges Prozessleit- system unterstützt alle Tätigkeiten von der Versuchsplanung über die Versuchsdurchführung und -kontrolle bis hin zur Datenauswertung.

Parallelreaktorsystem im Milliliter-Maßstab
Milliliter-Reaktor schematisch

Ressourceneffiziente Prozessentwicklung

Am Beispiel der biotechnologischen Herstellung rekombinanter Bäckerhefen (Saccharomyces cerevisiae) wird eine Prozessentwicklung demonstriert. Dabei katalysieren die Hefen die umweltfreundliche Herstellung eines bestimmten Alkohols durch eine so genannte asymmetrische Reduktion; dieser Alkohol wird als chiraler Baustein für die industrielle Herstellung von Cholesterinsenkern mit einem Marktvolumen von mehreren hundert Jahrestonnen eingesetzt.

Der erzielte hohe Automatisierungsgrad in Kombination mit der massiv parallelen Versuchsanordnung führt zu einer bis dato unerreichten Effizienzsteigerung in der Bio- prozessentwicklung. Zeit und Ressourcen werden gespart und die Etablierung nachhaltiger biotechnologischer Prozesse befördert.

SoftwaregestĂŒtztes Prozessleitsystem DASGIP-HT BD

Projektthema:
Hochdurchsatz-Bioprozessentwicklung für biotechnologische Produktionsprozesse

Projektdurchführung:
Technische Universität München
Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik
Prof. Dr.-Ing. Dirk Weuster-Botz
Boltzmannstr. 15
85748 Garching

Telefon:
089|289-15712
URL:
www.mw.tum.de/biovt
E-Mail:
d.weuster-botz@lrz.tum.de