Scale-up eines Verfahrens zur hochdichten Kultivierung rekombinanter Escherichia coli

Die Fermentation von Mikroorganismen zu hohen Zelldichten ist von großem wirtschaftlichem Interesse. Beispiele für entsprechende biotechnologische Prozesse sind die Produktion von Zellproteinen, Backhefe und Starterkulturen. Das Produkt sind die von den Mikroorganismen gebildeten Proteine oder die Biomasse. Hohe Zelldichten führen zu hohen Poduktmengen und steigern die Leistung einer Produktionsanlage. Die Kultivierung zu hohen Zelldichten ist begrenzt durch die Bildung von hemmenden Stoffwechsel-produkten, die durch verfahrenstechnische Methoden aus der Zellsuspension entfernt werden müssen. Dies wird im vorliegenden Fall mit Hilfe der Dialyse erreicht. Das Ziel dieses Forschungsprojekts ist die Entwicklung eines technischen Verfahrens für die hochdichte Kultivierung von E. coli- Bakterien zur Produktionssteigerung von rekombinanten Proteinen.

Um die bei Hochzelldichte-Kultivierungen häufig auftretenden Produkthemmungen zu vermeiden, wurden bereits in früheren Untersuchungen im Labor-Dialysereaktor (Fa. Bioengineering, Schweiz) mit Fermentationsmedium kontinuierlich dialysiert. Dadurch konnten sehr hohe Zelldichten erreicht werden. Das Verfahren wurde mit einer Nutrient-Split-Fütterungsstrategie auf minimalen Substratverbrauch optimiert.

In den neueren Untersuchungen werden speziell die Bedingungen bei der hochdichten Fermentation von rekombinanten E.coli-Bakterien im Labormaßstab optimiert, um maximale Proteinproduktionen zu ermöglichen. Dabei steht nicht mehr die Zellmasse, sondern die erzielte Proteinmenge im Vordergrund. Es wurde der Einsatz externer Dialysemodule, die ein Scale-up des Verfahrens ermöglichen und die Regelung der Substratkonzentration, welche zu hohen Raum-Zeit-Ausbeuten führt erfolgreich getestet.

Um die Regenerierung des Dialysats zu erleichtern, und somit die Medien- und Abwassermenge zu verringern und das Verfahren wirtschaftlich zu gestalten, wird außerdem versucht, aus der Vielzahl der von den Organismen gebildeten Stoffwechselprodukten diejenigen zu identifizieren, die die Hemmung des Zellwachstums tatsächlich verursachen. Dazu werden neben innovativen Messmethoden, wie der 2D-Fluoreszensspektroskopie auch Modellierungen der Fermentationen durchgeführt.

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