Evaluation, characterization and development of innovative reactor systems in biotechnology [Elektronische Ressource] / Christian Endres

Christian Endres

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• Publié par: gottfried_wilhelm_leibniz_universitat_hannover
• Publié le: 01 janvier 2010
• Nombre de lectures: 225
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 4 Mo

Extrait

 
Evaluation, Characterization and Development of 
Innovative Reactor Systems in Biotechnology 
 
Von der Naturwissenschaftlichen Fakultät  
der Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover 
 
 
zur Erlangung des Grades 
Doktor der Naturwissenschaften 
Dr. rer. nat. 
 
 
genehmigte Dissertation 
 
von 
Dipl.‐Chem. Christian Endres 
geboren am 2. August 1975 in Hannover 
 
 
2010 
  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Referent:   Prof. Dr. Thomas Scheper 
Korreferent:     Prof. Dr. Bernd Hitzmann 
Tag der Promotion:  15. September 2010  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Erklärung 
Hiermit versichere ich, dass ich die vorliegende Dissertation selbstständig verfasst habe 
und  die  benutzten  Hilfsmittel  sowie  eventuell  zu  Hilfsleistungen  herangezogene 
Institutionen vollständig angegeben habe. Ferner versichere ich, dass die Dissertation 
nicht bereits als Diplomarbeit oder andere Prüfungsleistung verwendet worden ist. 
 
Hannover, im September 2010     
 Kurzbeschreibung 
Bioreaktoren  sind  ein  wesentlicher  Bestandteil  eines  jeden  biotechnologischen 
Prozesses.  Um  mit  den  individuellen  Anforderungen  verschiedenster  Prozesse  zu 
harmonisieren, existieren Bioreaktoren in verschiedenen Bauformen und Größen. Auch 
wenn  Bioreaktorsysteme  bereits  weitreichend  in  der  wissenschaftlichen  Literatur 
beschrieben  wurden,  erfordert  der  ständige  Bedarf  an  neuen  biotechnologischen 
Produkten die stetige Anpassung bestehender Reaktorsysteme sowie die Entwicklung 
neuer Reaktortechnologien.  
Innerhalb dieser Arbeit werden verschiedene neuartige Reaktorkonzepte für den Einsatz 
in  biotechnologischen  Prozessentwicklungen  und  Produktionsprozessen  vorgestellt. 
Besonders im Bereich der Bioprozessentwicklung muss eine Vielzahl an Experimenten 
durchgeführt werden, um z.B. den leistungsfähigsten Organismus oder die produktivsten 
Wachstumsbedingungen  zu  ermitteln.  Diese  Entwicklungsschritte  werden  für 
gewöhnlich in kleinen Maßstäben durchgeführt, um die kostenintensive Nutzung von 
Verbrauchsmaterialien und Arbeitszeit zu reduzieren. In diesem Zusammenhang wird ein 
parallel arbeitendes Rührkessel‐Reaktorsystem im Miniaturmaßstab charakterisiert und 
in Modellprozessen evaluiert. 
In einem weiteren Teil dieser Arbeit werden Reaktorsysteme für die Kultivierung von 
Biofilmen  vorgestellt.  Die  mit  diesem  Prozess  assoziierten  Prototypen  bestehen  aus 
keramischen Hohlfasern, die sowohl als Matrix für die Ausbildung eines Biofilms, als 
auch zur Substratzufuhr oder Produktentnahme dienen. Verschiedene Maßstäbe dieser 
Systeme werden dabei von der Prozessentwicklung bis hin zum Produktionsmaßstab 
hinsichtlich ihrer Produktivität untersucht. Dabei werden sowohl aerob und fakultativ 
anaerob  wachsende  Mikroorganismen,  als  auch  adhärent  wachsende  Säugerzellen 
eingesetzt. 
 
Schlagworte:  Bioreaktor,  optischer  Sensor,  keramische  Membran,  Bioprozess, 
Produktivität 
 Abstract 
Bioreactors are widely used in academic and industrial applications. As bioreactors are 
an  essential  part  of  every  biotechnological  process,  various  designs  and  sizes  are 
necessary  to  facilitate the  individual  requirements  of  each  bioprocess.  Even  though 
bioreactors  have  been  intensively  described  in  literature,  the  ongoing  demand  for 
biotechnological products requires constant modification of available and development 
of  new  technology.  Due  to  the  multitude  of  different  microbial  and  mammalian 
organisms used for production of valuable products, novel concepts for customized 
cultivations are necessary. 
This thesis presents different novel reactor technologies for the use in biotechnological 
processes.  Especially  during  bioprocess  development  an  extensive  amount  of 
experiments has to be performed to identify the best performing organisms or most 
productive growth conditions. These developmental stages are usually conducted in 
small‐scale to reduce costs of consumables and in parallel to minimize costs of labor. 
Independent of the reactor design, small‐scale units with physical properties comparable 
to the ones of large scale production units are necessary to achieve reliable process 
information. In this context a parallel miniature‐scale stirred reactor system equipped 
with optical sensor units for the determination of process critical variables such as pH 
and dissolved oxygen is described and evaluated in exemplary processes.  
Another bioreactor system for the cultivation of productive biofilms is presented. The 
reactor prototypes associated with this process are based on ceramic membranes which 
offer support for biofilm formation, nutrient delivery and product removal. Small‐scale 
reactor units are used for process development and scale‐up considerations. Different 
scaled production units and different process strategies are investigated concerning 
overall  productivity.  These  processes  will  include  the  cultivation  of  aerobic  and 
facultative  anaerobic  microorganisms  as  well  as  the   of  attachment 
dependent mammalian cell‐lines.  
Keywords: bioreactor, optical sensor, ceramic membrane, bioprocess, productivity  
 Danksagung 
Die vorliegende Arbeit wurde am Institut für Technische Chemie der Gottfried Wilhelm 
Leibniz Universität Hannover unter der Leitung von Prof. Dr. Thomas Scheper durchgeführt. 
Hiermit bedanke ich mich bei Thomas Scheper für die interessante Aufgabenstellung und für 
die vielen hilfreichen Gespräche zu kleineren und größeren Fragestellungen. Ganz besonders 
möchte ich ihm abe