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S. 1 © HiTec Zang GmbH - HRE Respiration Activity Monitoring System Bioprozessoptimierung.

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Präsentation zum Thema: "S. 1 © HiTec Zang GmbH - HRE Respiration Activity Monitoring System Bioprozessoptimierung."—  Präsentation transkript:

1 S. 1 © HiTec Zang GmbH - HRE Respiration Activity Monitoring System Bioprozessoptimierung

2 S. 2 © HiTec Zang GmbH - HRE Online – Bestimmung der Atmungsaktivitäten (OTR, CTR, RQ) in Schüttelkolben Bioprozessoptimierung Respiration Activity Monitoring System

3 S. 3 © HiTec Zang GmbH - HRE Das Tablar

4 S. 4 © HiTec Zang GmbH - HRE Anwendungsgebiete Online-Verfolgung der Stoffwechselaktivität von pro- und eukaryotischen Kulturen in Schüttelreaktoren

5 S. 5 © HiTec Zang GmbH - HRE Einfache Ermittlung von Kenngrößen: Sauerstofftransferrate (OTR) Kohlendioxidtransferrate (CTR) Respirationsquotient (RQ) maximale Wachstumsrate (µ max ) volumetrischer Sauerstoffübergangskoeffizient (k L a) …, die ein sicheres Scale–Up ermöglichen. Anwendungsgebiete

6 S. 6 © HiTec Zang GmbH - HRE Unlimitiertes Wachstum auf Minimalmedium Sauerstofflimitierung Produktinhibierung ( z.B. pH, Temp.) Diauxie Fermentationszeit Sauerstofftransferrate Fermentationszeit Sauerstofftransferrate Fermentationszeit Sauerstofftransferrate Fermentationszeit Sauerstofftransferrate maximale Sauerstoff- transferkapazität gesamter Sauerstoffverbrauch [mol/l] = Substratlimitierung (außer C-Quelle) Fermentationszeit Sauerstofftransferrate Schnelle Erkennung von charakteristischen biologischen Phänomenen. OTR Verläufe: Anwendungsgebiete

7 S. 7 © HiTec Zang GmbH - HRE Schnelle Erkennung von charakteristischen biologischen Phänomenen. CTR-Verläufe: Anwendungsgebiete

8 S. 8 © HiTec Zang GmbH - HRE Ermittlung geeigneter Bedingungen für das konventionelle Massenscreening (Versuchsdauer, Medien, Betriebsbedingungen …) Optimieren von Substratkonzentrationen und Reduzierung der Entwicklungszeiten für Medien Bilanzieren von Fermentationen (Toxizitäts- und Proliferationsassays) Wachstumskontrolle unter sterilen Bedingungen Gezielte Probennahme nach der Sauerstofftransferrate Qualitätskontrolle Anwendungsgebiete

9 S. 9 © HiTec Zang GmbH - HRE ? Online- Abgasanalytik gerührter Bioreaktor OTR CTR RQ online geschüttelter Bioreaktor Stand der Technik

10 S. 10 © HiTec Zang GmbH - HRE Motivation Die Nachteile des Schüttelkolbens als Experimentiersystem, sind die, dass der Experimentator nur sehr begrenzte Möglichkeiten der Überwachung und Regelung hat. Payne et al., 1990 Die Schwäche von small-scale Flüssigfermentationen: diskontinuierliche Überwachung Hilton, 1999

11 S. 11 © HiTec Zang GmbH - HRE Was wird gemessen? Kohlenstoffquelle (Glutamin, Glucose,...) Stickstoffquelle (Ammonium, Harnstoff, Hefeextrakt, Pepton,...) Phosphorquelle (Phosphat, Phytin) Schwefelquelle (Sulfat, Cystein,...) Spurenelemente, Vitamine Kohlendioxid Sauerstoff Produkt (Alkohol, Proteine, Aminosäuren,...)

12 S. 12 © HiTec Zang GmbH - HRE Unbekannter Fermentationsverlauf ? Zeit Kulturverlauf Versuchsende A B Normaler Schüttelkolben:

13 S. 13 © HiTec Zang GmbH - HRE Bekannter Fermentationsverlauf B A Zeit Kulturverlauf Versuchsende A B

14 S. 14 © HiTec Zang GmbH - HRE bestimmt online die Atmungsaktivitäten (OTR, CTR, RQ) von aeroben Mikroorganismen in Schüttelkolben unter sterilen Bedingungen Lösung

15 S. 15 © HiTec Zang GmbH - HRE Klare Vorteile Mehr Informationen über die mikrobiologischen Prozesse im Schüttelkolben Schnelle Charakterisierung und gezielte Optimierung von Medien Ersetzt teure Versuche im Fermenter Paralleltechnik (Zeit, Vergleichbarkeit, …) Schafft optimale Screeningbedingungen Erkennung des optimalen Inokulierungszeitpunktes Quasi-Non-Stop-Betrieb durch sehr kurze Rüstzeiten Reduzierung der Versuchsdauer auf die tatsächlich erforderliche Zeit Unterscheidung betriebsbedingter und biologischer Effekte Einfache Handhabung

16 S. 16 © HiTec Zang GmbH - HRE Messkolben

17 S. 17 © HiTec Zang GmbH - HRE Beispielfermentationen Tierische Zellkultur Hybridoma (50 mL Kulturvolumen) Ermittlung der optimalen Inokulierungs– und Fed-Batch– Startzeit Fermentationszeit [h] OTR/CTR [mol/(L·h)] Zelldichte [N/mL] OTR CTR Zelldichte Glutamin- und Glucoseverbrauch

18 S. 18 © HiTec Zang GmbH - HRE Medienoptimierung am Beispiel: Osmolalitätsoptimum Wachstumsrate µ [h -1 ] Osmolalität [osmol/kg] Das Osmolalitätsoptimum liegt bei 0,318 osmol/kg Beispielfermentationen Tierische Zellkultur Hybridoma (50 mL Kulturvolumen)

19 S. 19 © HiTec Zang GmbH - HRE Tierische Zellkultur Hybridoma Vergleich von RAMOS mit einem Rührkesselfermenter mit Abgasanalytik Fermentationszeit [h] OTR [mol/(L·h)] Rührkesselfermenter (2 Liter Kulturvolumen) RAMOS (0,05 Liter Kulturvolumen) Dipl.-Ing. M. Canzoneri Beispielfermentationen

20 S. 20 © HiTec Zang GmbH - HRE Bakterium Corynebacterium glutamicum Einfluss verschiedener Flüssigkeitsvolumina Fermentationszeit [h] Kolben 1 : 10 mL Kolben 2 : 15 mL Kolben 3 : 20 mL Kolben 4 : 30 mL Kolben 5 : 40 mL Kolben 6 : 50 mL Sauerstofflimitierung OTR [mol/(L · h)] Beispielfermentationen

21 S. 21 © HiTec Zang GmbH - HRE Einfluss verschiedener Substratkonzentrationen Bakterium Pseudomonas fluorescens OTR [mol/(L · h)] 1x konzentriert 2x konzentriert 4x konzentriert Fermentationszeit [h] Beispielfermentationen

22 S. 22 © HiTec Zang GmbH - HRE Medium- und Prozessoptimierung OTR [mol/(L · h)] Fermentationszeit [h] Medium mit 100% Komp. 1, 30 mL Flüssigkeit Medium mit 200% Komp. 1, 30 mL Flüssigkeit Medium mit 200% Komp. 1, 20 mL Flüssigkeit Hefe Hansenula polymorpha Beispielfermentationen

23 S. 23 © HiTec Zang GmbH - HRE Tierische Zellkultur Hybridoma Zellwachstum innerhalb eines RAMOS-Versuchs Beispielfermentationen Dipl.-Ing. M. Canzoneri

24 S. 24 © HiTec Zang GmbH - HRE Tierische Zellkultur Hybridoma Zellwachstum innerhalb eines RAMOS-Versuchs Fermentationszeit [h] Zelldichte [N/ml] fach Parallelmessung Beispielfermentationen Dipl.-Ing. M. Canzoneri

25 S. 25 © HiTec Zang GmbH - HRE Handhabungsvorteile Geringer Platzbedarf – RAMOS passt auf einen normalen Labortisch Einfaches und schnell erlernbares Handling Komplett automatisierte Anwendersoftware Quasi-Non-Stop-Betrieb durch sehr kurze Rüstzeiten

26 S. 26 © HiTec Zang GmbH - HRE Bedienoberfläche

27 S. 27 © HiTec Zang GmbH - HRE Kolbenübersicht

28 S. 28 © HiTec Zang GmbH - HRE Sauerstofftransferrate (OTR)

29 S. 29 © HiTec Zang GmbH - HRE Detailansicht für jeden einzelnen Kolben (OTR, CTR, RQ) lag-Phase Sauerstofflimitierung C-Quelle (Glucose) verbraucht Ethanol verbraucht exp-Phase

30 S. 30 © HiTec Zang GmbH - HRE O 2 -, CO 2 - Transfer Sauerstofftransfer (OT) Kohlendioxidtransfer (CT) Bilanzierung des gesamten Sauerstofftransfers über den Fermentationsverlauf

31 S. 31 © HiTec Zang GmbH - HRE Wachstumsrate µ maximale Wachstumsrate µ

32 S. 32 © HiTec Zang GmbH - HRE OTR CTR Bringen Sie Licht in Ihre Prozesse

33 S. 33 © HiTec Zang GmbH - HRE Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Optimierung der Fermentationszeit Amortisationszeit: ca. 6 Monate OTR [mol/(L · h)] Fermentationszeit [h] Medium mit 100% Komp. 1, 30 ml Flüssigkeit Medium mit 200% Komp. 1, 30 ml Flüssigkeit Medium mit 200% Komp. 1, 20 ml Flüssigkeit Zusatznutzen: Vermeidung von Fehloptimierungen

34 S. 34 © HiTec Zang GmbH - HRE Zellkultur (Hybridoma) Dosierung

35 S. 35 © HiTec Zang GmbH - HRE FTT ® Fluid-Train System Dosierung und Probenahme

36 S. 36 © HiTec Zang GmbH - HRE FTT ® Fluid-Train System Geregelte Dosierung

37 S. 37 © HiTec Zang GmbH - HRE Bestimmung von RQ durch OUR, CER online Messungen exakte F ü tterung der Kulturen signifikant erh ö hte Produktionsrate Verk ü rzung der Fermentationszeiten RQFeed

38 S. 38 © HiTec Zang GmbH - HRE Reproduzierbare biomechanische Messung Personalisierte Medikamenten- und Toxinforschung Ersatz f ü r Tierversuche Integrierte, vollautomatische und hei ß sterilisierbare Pipettiereinheit Multiwell Einheit mit integrierter Sensorik CellDrum - Zellkraftmessung

39 S. 39 © HiTec Zang GmbH - HRE 1 bis 8(5) Messkan ä le f ü r 1 bis 4 Fermenter Hochaufl ö sende Messung (-c Version) Feuchtekorrektur (-c Version) Echte OUR, CER und RQ Messung (-c Version) Geringe Querempfindlichkeit Ü berdruck m ö glich Verschlei ß freie Sensorik Kompakt Zusatzfunktionen integrierbar Opt. frei programmierbar Viele Kopplungsm ö glichkeiten Datenexport m ö glich HiSense - Präzisionsabgasanalytik

40 S. 40 © HiTec Zang GmbH - HRE Zellkultur (Hybridoma) Ohne Dosierung

41 S. 41 © HiTec Zang GmbH - HRE Zellkultur (Hybridoma) Dosierung auf OTR geregelt ab RQ < 1

42 S. 42 © HiTec Zang GmbH - HRE Zellkultur (Hybridoma) Dosierprogramm

43 S. 43 © HiTec Zang GmbH - HRE Zellkultur (Hybridoma) Parametrierung der Probenahme

44 S. 44 © HiTec Zang GmbH - HRE Kooperationen und Veröffentlichungen Kooperationen: Veröffentlichungen: Anderlei T., Büchs J., Device for sterile online measurement of the oxygen transfer rate in shaking flasks, Biochem. Eng. J. 7(2), , 2001 Stöckmann Ch., Maier U., Anderlei T., Knocke Ch., Gellissen G., Büchs J., The Oxygen Transfer Rate as Key Parameter for the Characterisation of Hansenula polymorpha Screening Cultures, J. Ind. Microbiol. Biotechnol. 30, , 2003 Anderlei T., Zang W., Büchs J., Online respiration activity measurement (OTR, CTR, RQ) in shake flasks, Biochem. Eng. J. 17(3), , 2004 Lotter St., Büchs J. Utilization of power input measurements for optimisation of culture conditions in shaking flasks, Biochem. Eng. J. 17(3), , 2004 Losen M., Lingen B., Pohl M., BüchsJ., Effect of oxygen-limitation and medium composition on Escherichia coli in small-scale cultures, Biotechnol. Progress. (accepted) Fachhochschule Aachen, Abteilung Jülich Labor für Zellkulturtechnik Prof. Dr. Manfred Biselli Technische Hochschule Aachen, Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik Prof. Dr.-Ing. Jochen Büchs


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