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11 Jahrestagung der Biotechnologen
Chemie Ingenieur Technik 2009, 81, No. 8
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Automatisierte Steuerung der Dextranbildung von L. mesenteroides unter Einsatz von LabVIEW Dr. K. Stadtlander1) (E-Mail:
[email protected]), Dipl. Ing. A. M. Carvalho1), Dr. B. Muetterlein1) 1)
FH Südwestfalen, Frauenstuhlweg 31, D-58644 Iserlohn, Germany
DOI: 10.1002/cite.200950126
In Anbetracht steigender Preise für automatisierte Laborreaktoren wurde mit Studenten der FH in einem Projekt eine hausinterne Lösung gesucht, die hier vorgestellt werden soll. Der gut untersuchte Produktionsprozess von Dextran durch Leuconostoc mesenteroides wurde ausgewählt, um einen vorhandenen Rührkesselreaktor zu verwenden, der mit LabVIEW automatisch gesteuert werden sollte. LabVIEW ist eine visuelle Programmiersprache, die sowohl für die Datengewinnung und nutzung als auch für die instrumentelle Steuerung eingesetzt werden kann und in industriellen Prozessen bereits vielfäl-
tig eingesetzt wird. Im Rahmen eines studentischen Projektes/Diplomarbeit wurde erstmalig und erfolgreich versucht, einen Fermentationsprozess mit dieser Software zu regeln und zu steuern. Bei einem Bioreaktor für die Produktion von Mikroorganismen oder ihrer Stoffwechselprodukte müssen u. a. Parameter wie der pH-Wert, die Sauerstoffkonzentration, die Temperatur und die Zellkonzentration überwacht und geregelt werden. Die benötigten Medien wurden dem Reaktor über Schlauchpumpen zugeführt. Für die Pumpensteuerung wurden die digitalen Ausgänge der Messkarte USB6008 verwendet.
Über die analogen Eingänge wurden die Sensorsignale aufgenommen. Für die Bestimmung der optischen Dichte wurde ein Spektrometer verwendet. Der Umwälzthermostat und der Motor des Rührwerkes wurden über die RS232Schnittstelle angesprochen. Für die Sauerstoffzufuhr wurde eine handelsübliche Aquariumpumpe verwendet. Der so entstandene Bioreaktor wurde genutzt, um mit L. mesenteroides Dextran zu produzieren. Dieses wurde isoliert, aufgereinigt und als weißes geruchloses Pulver dargestellt.
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Unavoidable variance trends in data obtained by experiments on robotic platforms – how to consider such effects in model parameter estimation A. Siudak1) (E-Mail:
[email protected]), Dr.-Ing. E. von Lieres2), Dr. S. Nath3), Prof. Dr. J. Hubbuch1) 1)
Institut für Bio- und Lebensmitteltechnik, Universität Karlsruhe (TH), Bereich IV, Engler-Bunte-Ring 1, D-76131 Karlsruhe, Germany Forschungszentrum Jülich GmbH, Institut für Biotechnologie 2, D-52425 Jülich, Germany 3) Roche Diagnostics GmbH, Nonnenwald 2, D-82377 Penzberg, Germany 2)
DOI: 10.1002/cite.200950087
Zeitdruck ist eine vorrangige Größe bei der Entwicklung und Validierung biopharmazeutischer Prozesse. Der Einsatz von HTE (High-Throughput-Experimenting) auf Roboterplattformen erlaubt die schnelle Generierung großer Datenmengen zum untersuchten Prozess. Um diese korrekt auszuwerten und sie zur Parameterschätzung in mathematischen Modellen berücksichtigen zu können, ist es essenziell, immanentes Grundrauschen, Varianzen und Fehlertrends der Daten zu bestimmen. Es wurden drei grundlegende Experimentalsetups zur HTE-Bestimmung von Parametern zur Modellierung von Batchchromatographie von Proteinen angewendet. Die jeweiligen Ergebnisse wurden auf Rauschen und Varianzen
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hin untersucht. Im Anschluss wurden spezifisch geeignete Gewichtsfunktionen für eine Weiterverwendung der Da-
ten in einer Parameterschätzung mit der Methode der kleinsten Quadrate be-
Tab. Ergebnistabelle.
Experiment
Zu schätzende(r) Parameter
Varianz-Trend
Kalibrierkurven aus Pro- linearer Zusammenhang zwi- linearer Varianz-Trend bis zu einem bestimmteinstammlösungen schen A280-Extinktion und ten Messvolumen, HinProteinmenge tergrundrauschen Langmuirparameter für IsoIsothermen – Proteinadsorption in Batchexpe- thermen rimenten
nichtlinearer VarianzTrend
Kinetiken – ProteinadLangmuirparameter für Kine- kein Varianz-Trend besorption in Batchexperi- tiken stimmbar, Varianzen teilmenten weise sehr groß
© 2009 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim
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stimmt und die Schätzungen vorgenommen. In den HTE-Ergebnissen sind verschiedene Varianz-Trends zu beobachten (s. Tab.). Diese hängen sehr stark vom jeweiligen experimentellen Setup ab und bilden das Ergebnis einer Fehlerfortpflanzung, in der alle Schwächen
der verwendeten Roboterplattform in jedem einzelnen Schritt ihren Beitrag leisten. Im vorliegenden Fall lag die Ursache der Trends vor allem an Ungenauigkeiten bei Pipettiervolumina. Die Ergebnisse belegen, dass verschiedene Varianztrends in HTE-Daten vorkommen, die durch Roboterplattformen
erzeugt wurden. Diese Trends müssen in der Analyse und Weiterverwendung der Daten berücksichtigt werden, beispielsweise durch Benutzung angepasster Gewichtsfunktionen im Rahmen der Parameterschätzung mit der Methode der kleinsten Quadrate.
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Herausforderung: Effizienzsteigerung in der Bio-Pharmazeutischen Industrie Dr. D. Kune1) (E-Mail:
[email protected]), Dr. N. Shoji2), Dr. M. Moriyama2), Dr. A. Matsui2), Dr. M. Omote2), Dr. N. Kuriyama2) 1)
YMC-Europe GmbH, Schöttmannshof 19, 46539 Dinslaken, Germany YMC Co., Ltd., Ishikawa (Japan)
2)
DOI: 10.1002/cite.200950204
Neue Downstream-Medien können die Herstellungskosten senken: Bei der Produktion von Bio-Pharmazeutika wurde in der Vergangenheit das Augenmerk vor allem auf die Optimierung der Fermentationsprozesse gelegt. Immer höhere Titer wurden erreicht, wodurch der Durchsatz in den chromatographischen Schritten des „Downstream Processings“ steigt. Lange Zeit konnten die LC-Downstream-Processing-Materialien Veränderungen und Produktivitätssteigerungen aus der Fermentation auffangen. Dies ist nicht länger selbstverständlich und Effizienzsteigerungen im
Fermentationsschritt können starken Einfluss auf die Effizienz der chromatographischen Schritte haben. Die Anpassung des Maßstabs der chromatographischen Schritte an die Fermentation ist nämlich nicht immer ohne weiteres praktikabel. Eine mögliche Lösung sind Materialien, die auf Grund ihrer höheren volumetrischen Produktivität – Gramm gereinigtes Material pro Liter Resin – mit den erhöhten Titern Schritt halten. Auch ein vielseitiges Material, das in verschiedenen Produktionsschritten eingesetzt werden kann, bietet zusätzliche Vorteile.
Das Ionentauscher-Material YMC BioPro ist speziell für die Reinigung von Peptiden, Proteinen und Nukleinsäuren konzipiert. Es basiert auf einem hydrophilen polymeren Resin. Durch seine geringe unspezifische Bindung und hohe dynamische Bindungskapazität werden höhere Wiederfindungsraten für Biomoleküle erreicht als bei klassischen Medien. Mit einer Partikelgröße von 75 lm liegt das Material ideal im Grenzgebiet zwischen „Capture“ und „intermediate purification“.
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Installation eines IR/Raman-Messplatzes an der ESRF/Grenoble zur simultanen Aufnahme von Schwingungs- und Kernstreuungsspektren biologischer und abiotischer Proben Dr.-Ing. K. Muffler1,2) (E-Mail:
[email protected]), Dr. J. A. Wolny1), Prof. Dr. R. Ulber2), Prof. Dr. V. Schünemann1) 1)
AG Biophysik und Medizinische Physik, TU Kaiserslautern, Erwin-Schrödinger-Straße 56, D-67663 Kaiserslautern, Germany Lehrgebiet Bioverfahrenstechnik, TU Kaiserslautern, Gottlieb-Daimler-Straße 44, D-67663 Kaiserslautern, Germany
2)
DOI: 10.1002/cite.200950351
Die Aufklärung von Stoffwechselprozessen ist für ein verbessertes Verständnis metabolischer Vorgänge unerlässlich. Als ein bedeutendes Tool zur Charakterisierung von Schlüsselreaktionen Fehaltiger Enzyme kann die MössbauerSpektroskopie angesehen werden. Diese liefert Informationen sowohl über die Umgebung des Zentralatoms als auch über dessen Oxidationsstufe. Da es sich bei der Mössbauer-Spektroskopie um
eine isotopenspezifische Methode handelt, sind die Signale biogener Metabolite, aufgrund der geringen natürlichen Häufigkeit des relevanten Isotops 57Fe, in der Regel zu gering, um eine Auswertung zuzulassen. Daher wird die Expression von Zielproteinen üblicherweise in Gegenwart des 57Fe-Isotops durchgeführt. Eine sensitive Mössbauer-Technik wendet durchstimmbare Synchrotronstrahlung an, wobei die
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Kombination mit schwingungsspektroskopischen Methoden wertvolle komplementäre Aussagen über die Umgebung des Zentralatoms liefern kann. Um eine solche simultane Analyse mikrostrukturierter eisenhaltiger Proben durchführen zu können, wird zurzeit an der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble ein entsprechender Messplatz aufgebaut. Dieser ermöglicht die ortsaufgelöste Charakterisierung
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