Laborroboter zur DSP-Entwicklung
Final Report Abstract
Die Entwicklung von Aufarbeitungsprozessen für biotechnologisch hergestellte Produkte muss sich in erheblichem Umfang auf experimentelle Untersuchungen und den daraus gewonnenen Daten stützen. Eine auf vorhersagende Methoden, wie Heuristiken, Modellierung und Simulation beruhende Prozessentwicklungsmethodik, wie sie in der chemischen Industrie häufig zum Einsatz kommt, kann im biotechnologischen Bereich nicht genutzt bzw. nicht einfach transferiert werden. Zurückzuführen ist dies auf fehlende Stoffdaten und bzw. auf komplexe und nicht vorhersagbare Wechselwirkungen zwischen den Komponenten im Gemisch. Ein langfristiges Forschungsziel des Lehrstuhls für Anlagen- und Prozesstechnik ist daher die Entwicklung einer integrierten Methodik zur Synthese von Downstreamprozessen für die Aufreinigung biotechnologischer Produkte, die heuristische Ansätze, automatisiert durchgeführte Experimente und Modell- bzw. Simulationsrechnungen derart verbindet, dass der experimentelle Aufwand minimiert und zugleich der Informationsgewinn maximiert wird. Zentrales Element dieser Methodik ist ein Laborroboter, der die notwendigen experimentellen Untersuchungen durchführt. Der Laborroboter ermöglicht aufgrund seiner flexiblen, modularen Struktur sowie der Möglichkeit des Flüssig- als auch Feststoffhandlings die Durchführung zahlreicher Experimente bzw. Probenvorbereitungsschritte. Dabei werden zum einen klassische Unit Operationen aus der Bioverfahrenstechnik miniaturisiert nachgestellt, aber auch Prozessparameter für spätere größerskalige Auslegungen automatisiert bestimmt. Neben der Nutzung des Roboters als miniaturisierte Aufreinigungsplattform verfolgt die laufende Forschung das Ziel, das Potential der Roboterplattform durch Kopplung mit am Lehrstuhl entwickelten Methoden zur Steuerung der Prozessentwicklung weiter auszuschöpfen. Diese umfassen unter anderem Methoden der statistischen Versuchsplanung oder die Bewertung einzelner Prozessschritte durch sogenannte „key performance“-Indikatoren. Durch Implementierung dieser Methoden in die Softwaredomaine des Roboters werden Prozessschritte optimiert und hinsichtlich ihrer Ökonomie bewertet, damit eine schnelle und effiziente Prozesssynthese für verschiedenste biotechnologisch produzierte Stoffe gewährleistet werden kann. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, sind seit der Zeit der Inbetriebnahme des Forschungsgroßgerätes verschiedenste Methoden auf dem Roboter systematisch entwickelt und implementiert worden wie z.B. Ad- und Desorptionsschritte, flüssig/flüssig- sowie flüssig/fest- Extraktionen, Umlöseschritte oder Löslichkeitsmessungen, Präzipitation und Kristallisation. Die genannten Methoden werden stets an realen Stoffsystemen in laufenden Forschungsvorhaben entwickelt und validiert. Eingesetzt wurde die Plattform u.a. auf die folgenden Stoffklassen: Taxane (Aufarbeitung von Baccatin III aus Pflanzenzellkulturen), Striatale (Entwicklung eines Aufarbeitungskonzeptes für die Striataltrennung aus Pilzkulturen), Steviolglykoside (Aufreinigung von Steviol und Rebaudiosid A aus Pflanzenmaterial), Steroidprecursor aus Phytosterolen (Entwicklung eines Aufarbeitungskonzeptes von Steroiden aus Fermentationsbrühen), Betulinsäure aus Fermentationsbrühen, Fusicoccane aus Fermentationslösungen.
Publications
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A Fully Automated Ad- and Desorption Method for Resin and Solvent Screening. Chemical Engineering & Technology 36 (7), (2013), 1157-1164
Schuldt, S., Schembecker, G.
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A standard procedure for the selection of solvents for natural plant extraction in the early stages of process development. Chemical Engineering and Technology, 36 (10), (2013), 1739-1748
Bergs, D., Merz, J., Delp, A., Joehnck, M., Martin, G., Schembecker, G.
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Heterologous fermentation of a diterpene from Alternaria brassisicola. Mycology, 5 (3), (2014), 207- 219
Arens, J., Bergs, D., Mewes, M., Merz, J., Schembecker, G., Schulz, F.
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Identification of parameter interactions influencing the precipitation of a monoclonal antibody with anionic polyelectrolytes. Separation and Purification Technology, 127, (2014), 165- 173
Sieberz, J., Stanislawski, B., Wohlgemuth, K., Schembecker, G.
