Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-3982
Wolfram, Evelyn P.
Parallele Substratkontrolle in Bioreaktoren mit geringem Volumen
VII, 194 S., 2002
Mikrobielle Prozesse werden in der ersten Entwicklungsphase in
Parallelexperimenten in Kleinreaktoren (Schüttelkolben-Maßstab) reaktionstechnisch untersucht
und optimiert. Substratkonzentrationen sind dabei eine zentrale Prozessgröße, deren
Kontrolle zur Steigerung der Effizienz und Qualität dieser Entwicklungsphase beitragen
kann. Daher wurde eine für kleine Reaktionsvolumen geeignete parallele, automatische
und sterile Probenahmetechnik mit Hohlfaser-Dialysemembranen entwickelt und mit
einem Substrat-Analysesystem gekoppelt. Durch Kombination der Messtechnik mit
einem Regler und einem präzisen Mikrodosiersystem für Substrat wurde der Regelkreis
geschlossen. Das Funktionsmuster wurde verfahrenstechnisch charakterisiert und seine
Eignung zur Online-Überwachung und Regelung von Bioprozessen untersucht. Mit
dieser Technik gelang erstmals die Messung und Regelung von Substratkonzentrationen
in parallel durchgeführten Bioreaktionen (beispielsweise mit Escherichia coli) mit
Abtastraten von nur wenigen Minuten je Bioreaktor.
In the first developmental phase of microbial processes, relevant parameters for
reaction engineering are investigated and optimized with parallel experiments in small
reactors (shake flask scale). Substrate concentrations are central process parameters.
Their control might help to increase efficiency and quality of this developmental phase.
Thus, a parallel, automatic and sterile sampling technique with hollow fiber
membranes was developed that suits the small reaction volume. The parallel sampling modules
were connected to a substrate analysis system. The combination of the analytical
technique with a controller and a precise microdosing system for substrate closed the control
loop. The prototype device was characterized and its suitability for online monitoring
and control of bioprocesses confirmed. This technique allows for the first time online
measurement and control of substrate concentrations in parallel bioreactions (i.e. with
Escherichia coli) with measuring rates of the order of minutes.
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