horizonte - der Koordinierungsstelle - Hochschule Mannheim

Abb. 5: Zeitliche Verläufe von Prozessvariablen während der kalorimetrisch geregelten Hochzelldichte-Kultivierung
von E.coli mit Induktion des rekombinanten Proteins nach 19 h.
schätzte Wachstumsrate sehr gut auf
dem vorgegebenen Sollwert halten.
Dadurch wird die Acetatproduktion
unterbunden und es kann eine Biomasse
von mehr als 100 g/l erreicht
werden.
Abb. 5 zeigt die Ergebnisse einer
Kultivierung bei der die Expression des
rekombinanten GFP nach 19 h durch
Zugabe von Arabinose induziert wurde.
Die Induktion von Arabinose führt
zu einer vorübergehenden Erhöhung
der Wärmeproduktion durch die Bakterien
als Folge der erhöhten Stoffwechselaktivität.
Auch hier wurde die
Wachstumsrate erfolgreich geregelt
und eine Biomassenkonzentration von
105 g/l erzielt.
Fazit
Es wird gezeigt, wie mit Hilfe nichtinvasiver
kalorimetrischer Methoden
und eines modellgestützten Messverfahrens
die Wachstumsrate von Mikroorganismen
geregelt werden kann.
Die Methode bietet eine Alternative
zur Prozessregelung auf der Grundlage
von aufwendigen Online Analyseverfahren.
Anhand von experimentellen
Untersuchungen mit einem rekombinanten
E.coli-Stamm konnte gezeigt
werden, dass reproduzierbar Biotrokkenmassen
von deutlich mehr als 100
g/L erzielbar sind. Diese Automatisierungsstrategie
führt zu einer deutlichen
Steigerung der Produktivität und Reproduzierbarkeit.
In der Zwischenzeit
konnte erfolgreich eine Übertragung
- 6 -
der Regelstrategie auf die Kultivierung
von Hefezellen erreicht werden [14].
Referenzen
[1] Lee, S. Y., High cell-density culture
of Escherichia coli. Trends Biotechnol.
1996, 14, 98-105.
[2] Riesenberg, D., High-cell-density
cultivation of Escherichia coli.
Curr. Opin. Biotechnol. 1991, 2,
380-384.
[3] Korz, D. J., Rinas, U., Hellmuth,
K., Sanders, E. A., Deckwer, W.
D., Simple fed-batch technique
for high cell density cultivation
of Escherichia coli. J. Biotechnol.
1995, 39, 59-65.
[4] Akesson, M., Hagander, P., Axelsson,
J. P., Avoiding acetate accumulation
in Escherichia coli cultures
using feedback control of glucose
feeding. Biotechnol. Bioeng.
2001, 73, 223-230.
[5] Konstantinov, K., Kishimoto, M.,
Seki, T., Yoshida, T., A balanced
DO-stat and its application to the
control of acetic acid excretion by
recombinant Escherichia coli. Biotechnol.
Bioeng. 1990, 36, 750-
758.
[6] Kim, B. S., Lee, S. C., Lee, S. Y.,
Chang, Y. K., Chang, H. N., High
cell density fed-batch cultivation
of Escherichia coli using exponential
feeding combined with
pH-stat. Bioprocess Biosyst. Eng.
2004, 26, 147-150.
[7] Riesenberg, D., Schulz, V., Knorre,
W. A., Pohl, H. D., et al., High cell
density cultivation of Escherichia
coli at controlled specifi c growth
rate. J. Biotechnol. 1991, 20, 17-
27.
[8] Biener, R., Steinkämper, A., Hofmann,
J., Calorimetric control
for high cell density cultivation
of a recombinant Escherichia coli
strain. J. Biotechnol. 2010, 146,
45-53.
[9] Bailey, J. E., Ollis, D. F., Biochemical
Engineering Fundamentals,
McGraw-Hill, New York 1986.
[10] Marison, I. W., von Stockar, U.,
The application of a novel heat
fl ux calorimeter for studying growth
of Escherichia coli W in aerobic
batch culture. Biotechnol. Bioeng.
1986, 28, 1780-1793.
[11] von Stockar, U., Maskow, T., Liu,
J., Marison, I. W., Patino, R., Thermodynamics
of microbial growth
and metabolism: an analysis of
the current situation. J. Biotechnol.
2006, 121, 517-533.
[12] Marison, I. W., von Stockar, U.,
Fermentation control and the use
of calorimetry. Biochem. Soc.
Trans. 1988, 16, 1091-1093.
[13] Voisard, D., Pugeaud, P., Kumar, A.
R., Jenny, K., et al., Development
of a large-scale biocalorimeter to
monitor and control bioprocesses.
Biotechnol. Bioeng. 2002, 80,
125-138.
[14] Biener, R., Steinkämper, A., Horn,
T., Calorimetric control of the specifi
c growth rate during fed-batch
cultures of Saccharomyces cerevisiae.
J Biotechnol. 2012, 160, 195
-201.
Kontakt
Prof. Dr.-Ing. Richard Biener, Hochschule
Esslingen, Kanalstr. 33, 73728
Esslingen, Tel.: 0711/397-3551, E-mail:
richard.biener@hs-esslingen.de
horizonte 40/ September2012