Miniaturisierte Parallelreaktoren zur Hochdurchsatz-Bioprozessentwicklung

Zur Optimierung der Bioprozessentwicklung wurde ein neuartiger Bioreaktor im mL-Maßstab mit einem Gas-induzierenden Rührsystem entwickelt. Der mL-Bioreaktor ist durch Sauerstoffübergangskoeffizienten (kLa) von über 0,4 s-1 charakterisiert. Manuell gefertigte Rührorgane sind durch Abweichungen von unter 7 % im kLa-Wert charakterisiert. Bis zu 48 mL-Bioreaktoren können parallel in einem Reaktionsblock betrieben werden. Der Reaktionsblock beinhaltet den parallelen Antrieb und stellt die Temperierung der Reaktionsmedien über Wärmetauscher sicher. Eine entwickelte Sterilgasabdeckung ermöglicht das zentrale Einspeisen von sterilem Prozessgas und die Aufrechterhaltung monoseptischer Bedingungen. Mit einem Laborroboter werden der pH-geregelte Zulaufbetrieb und eine automatisierte Probenahme realisiert. Ein integrierter Robotarm ermöglicht die Durchführung von automatisierter atline Analytik für pH-Wert und optische Dichte in einem integrierten Mikrotiterplatten-Photometer. In einem parallelen pH-geregelten Zulaufverfahren mit intermittierender Zudosierung wurde die Biotrockenmasseentwicklung im Parallelansatz durch Abweichungen von unter 5,3 % bei einer Biotrockenmassekonzentration von 9,5 g L-1 charakterisiert. Das Wachstum von E. coli in einem pH-geregelten Zulaufverfahren im mL-Bioreaktor entsprach bezüglich der Wachstumsrate, dem Biomasseertrag und der Entwicklung der Biotrockenmasse einer Referenzkultivierung im Laborrührkesselreaktor. Die bislang maximal erreichte Biotrockenmassekonzentration lag bei 24 g L-1 in einer Prozesszeit von 21 Stunden. In order to optimize bioprocess development, a novel mL-scale bioreactor was developed with a gas-inducing impeller. The mL-scale bioreactor reaches oxygen transfer coefficients (kLa) of more than 0.4 s-1. Manually machined impellers are characterized by less than 7 % deviation in oxygen transfer. Up to 48 mL-bioreactors can be run in parallel in a reaction block which provides the parallel drive and ensures the heating of the reaction media via heat exchangers. A developed gas cover enables the supply of sterile gas from a single inlet and maintenance of monoseptic conditions. A liquid handling system enables automatic atline analytics for pH and optical density in an integrated microtiter plate reader. Parallel cultivations with pH control and intermittent feeding were characterized by deviations of less than 5.3 % in biomass development at a dry cell mass of 9.5 g L-1. Growth of E. coli in pH controlled fed-batch cultivations was shown to be equivalent to a reference cultivation at lab-scale regarding growth rate, biomass yield and biomass development. A maximum dry cell mass of 24 g L-1 was reached in 21 hours process time.