Microfluidic bioprocess control in baffled microtiter plates [Elektronische Ressource] / Matthias Funke

Matthias Debureaux

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• Publié par: rheinisch-westfalischen_technischen_hochschule_-rwth-_aachen
• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 50
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 7 Mo

Extrait

Microfluidic Bioprocess Control in Baffled Microtiter Plates






Von der Fakultät für Maschinenwesen
der RheinischWestfälischen Technischen Hochschule Aachen
zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Naturwissenschaften
genehmigte Dissertation

vorgelegt von


Matthias Funke












Berichter: Universitätsprofessor Dr.Ing. Jochen Büchs
Universitätsprofessor Dr. rer. nat. Wilfried Mokwa

Tag der mündlichen Prüfung: 17. Dezember 2010




Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfügbar.











































Gewidmet meiner Familie
und der gemeinsamen Erinnerung an einen wunderbaren Vater
Herbert Funke (∗ 30.10.1950 † 05. 10. 2006)
Danke für Alles !

















Aspects of this thesis have been published previously:

Funke M, Diederichs S, Kensy F, Müller C, Büchs J
The baffled microtiter plate: increased oxygen transfer
and improved online monitoring in small scale fermentations.
Biotechnology and Bioengineering 2009, 103:11181128

Buchenauer A, Funke M, Büchs J, Mokwa W, Schnakenberg U
Microbioreactors with microfluidic control
and a userfriendly connection to the actuator hardware.
Journal of Micromechanics and Microengineering 2009, 19
Vorwort
Die vorgelegte Dissertation entstand als Abschluss meiner Arbeit an der RWTH Aachen in
der Aachener Verfahrenstechnik – Bioverfahrenstechnik. Sie war Bestandteil eines BMBF
geförderten Projektes im Rahmen der Fördermaßnahme „BioChance plus“ und trug den
Projekttitel „MikroBioreaktorSysteme mit integrierter Mikrofluidik in der Biotechnologie –
MRSBio“ (0313811A).

Für die Möglichkeit dieses Projekt am Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik bearbeiten zu
können und das in mich gesetzte Vertrauen möchte ich Herrn Professor Jochen Büchs recht
herzlich danken. Seine Ratschläge und die geführten Diskussionen waren essentielle
Wegweiser und standen gleichzeitig immer in einer ausgewogenen Balance mit der Freiheit
eigene Ideen zu verfolgen. Nicht nur für die Übernahme des Koreferates meiner Arbeit,
sondern auch für die erfolgreiche Zusammenarbeit innerhalb dieses Projektes gilt mein Dank
Herrn Professor Wilfried Mokwa. Danken möchte ich ebenfalls Herrn Professor Klaus
Radermacher für die Bereitschaft, den Prüfungsvorsitz zu übernehmen.

Grundlage für die Umsetzung dieses Projektes war die sehr gute Zusammenarbeit aller
Kooperationspartner. Besonders danken möchte ich hierbei Andreas Buchenauer, vom Institut
für Werkstoffe der Elektrotechnik 1 der RWTH Aachen, der bei der Entwicklung der
Mikrofluidikhardware federführend war und meine Arbeit stets mit Rat und Tat begleitete.
Als Koordinatoren des Projektes insbesondere verantwortlich für eine reibungslose und
angenehme Zusammenarbeit sowie für eine fortwährende Beratung und Unterstützung bei
allen Herausforderungen gilt mein Dank Frank Kensy und Carsten Müller sowie Le Wang
von der Firma m2plabs GmbH.

Besonderer Dank und Anerkennung gebühren Sylvia Diederichs, die meine Arbeit über fast
drei Jahre als wissenschaftliche Hilfskraft im Labor unterstützt hat. Ohne ihr Engagement
wären wichtige Teile dieser Arbeit so nicht möglich und ohne ihre sympathische Art wäre
diese Arbeit deutlich trister gewesen. Nicht minder dankbar bin ich auch den Studenten
Joana Tenne und Daniel Ewert, sowie Alan Mertens, Lea Hein und Stefanie Kluge, die als
wissenschaftliche Hilfskräfte oder während ihrer Bachelorarbeiten an diesem Projekt
mitarbeiteten und mit ihren Untersuchungen einen wertvollen Beitrag zum Gelingen dieser
Arbeit geleistet haben.

Sowohl beruflich als auch privat hatte ich in Aachen eine sehr schöne Zeit. Dafür sind nicht
unwesentlich meine Kollegen und Freunde vom Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik mit
verantwortlich. Danken möchte ich daher neben der fortwährenden fachlichen Unterstützung
insbesondere Robert Huber für die intensiven Diskussionen und die freundschaftliche
Nachbarschaft, seiner Frau Petra für die Unterstützung mit gutem Essen, Sven Hansen für
einen grandiosen IrlandUrlaub, Anja Wilming und Cornelia Bähr für interessante
Wandertouren, Michael Zavrel für das Fitnesstraining, David Ullisch, Esther Gartz, Lars
Regestein und Marco Scheidle für ihre Unterstützung unter Anderem bei der Korrektur dieser
Arbeit, meinen Bürokollegen Amizon Azizan und Gregor Steinhorn, aber auch allen
Kollegen, die hier nicht namentlich aufgeführt sind und insbesondere den
nichtwissenschaftlichen Angestellten.

Obwohl in dieser Reihe am Schluss aufgeführt, gilt ein ganz besonderes herzlicher Dank
meiner Familie – meiner Mutter Barbara, meiner Schwester Maria und meinem
Bruder Thomas. Ohne die Unterstützung, den Halt und die Orientierung die ich durch sie
erfahre, wäre ich heute nicht dort wo ich bin.

Vielen Dank!


Aachen, im März 2010 Matthias Funke











Kurzfassung
Kurzfassung

Die Effektivität eines biotechnologischen Produktionsprozesses wird maßgeblich durch die
Auswahl (screening) geeigneter Biokatalysatoren – Mikroorganismen oder Enzyme – sowie
die Charakterisierung der optimalen Betriebsbedingungen bestimmt. Hierfür ist eine Vielzahl
von Experimenten notwendig, was allerdings einer zügigen Bioprozessentwicklung oftmals
entgegensteht. Es besteht somit ein Bedarf an Systemen, die Experimente im Screening und
der Prozessentwicklung mit hohem Durchsatz und mit hohem Informationsgewinn realisieren
können (highthroughput screening). Das in dieser Arbeit entwickelte Mikrofermentations
system auf Basis von Mikrotiterplatten (MTPen) soll zur Lösung dieses Widerspruchs
beitragen. Basis des Systems ist die BioLectorTechnologie. Dieses faseroptische Meßsystem
ermöglicht die OnlineErfassung wichtiger Fermentationsparameter in jeder Kavität einer
MTP. Um ihre Anwendung als Mikrofermenter weiter zu verbessern, wurden die
Stofftransfereigenschaften in MTPen durch das Einbringen von Stromstörern optimiert und
eine aktive Prozesskontrolle mittels mikrofluidischer Bauteile integriert.

Moderne Screeninguntersuchungen werden bevorzugt in MTPen durchgeführt, obwohl die für
diese Anwendungen bislang nicht optimiert wurden. Ein Nachteil bei ihrer Anwendung ist der
geringe Sauerstoffeintrag ins Kulturmedium. Eine prinzipielle Lösung dieses Problems
besteht im Einbringen von Stromstörern in die einzelnen Kavitäten der MTP. Um den
Einfluss von Stromstörern auf Sauerstofftransfer und Hydrodynamik der rotierenden
Flüssigkeit detailliert zu untersuchen, wurden in der hier vorgestellten Arbeit 30 verschiedene
Stromstörergeometrien in die Kavitäten einer 48Well MTP integriert. Es konnte gezeigt
werden, dass damit die Sauerstofftransferkapazität (OTR ) auf einen Wert von mehr max
als 100 mmol/L/h (k a > 600 1/h) verdoppelt werden kann. Gleichzeitig konnte die Steighöhe L
der rotierenden Flüssigkeit reduziert und somit das anwendbare Kulturvolumen maximiert
werden. Die dadurch gesteigerte Flüssigkeitsmenge am Boden der Kavität ermöglichte
zusätzlich eine Verbesserung der Messwertaufnahme durch den BioLector. Als Optimum
wurde eine Kavitätengeometrie identifiziert, die sechs halbkreisförmige Ausstülpungen
aufweist und in ihrer Form an eine Blumenblüte erinnert.

Bislang war die systematische Beschreibung und Standardisierung von Stromstörern
geschüttelter Bioreaktoren nicht möglich. In der hier vorgestellten Arbeit konnte jedoch eine
Beziehung zwischen dem OTR sowie der Steighöhe der rotierenden Flüssigkeit zum max
Umfang der Querschnittsfläche der Kavitäten aufgestellt werden. Diese Beziehung erlaubt
Kurzfassung
erstmals die systematische Beschreibung der beobachteten Stromstöreffekte und die
Definition eines „Bewehrungsgrades“ geschüttelter Bioreaktoren. Weiterhin konnte ein
Maximum des Bewehrungsgrades identifiziert werden, welches nicht überschritten werden
sollte, um eine gleichmäßige Flüssigkeitsbewegung und einen hohen Sauerstoffeintrag zu
gewährleisten. Dieses Konzept kann in Zukunft zur Auslegung neuer Stromstörer dienen.

Im Produktionsmaßstab werden biotechnologische Prozesse zumeist un