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Informations
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