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Projekt
ProPHet2Con: In Richtung Kontrolle von durch Populationsheterogenität induzierten Schwankungen in der Prozessleistung während der L-Phenylalanin-Produktion mit Escherichia col
Antragstellerinnen / Antragsteller
Professorin Dr. Anna-Lena Heins; Professor Dr.-Ing. Andreas Kremling
Fachliche Zuordnung
Bioverfahrenstechnik
Förderung
Förderung seit 2019
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 428015958
Hochskalieren von Bioprozessen führt oft zu Produktivitätseinbußen im Vergleich zu Prozessen im Labormaßstab. Ein Grund ist das Entstehen von Populationsheterogenität, das zwar gut untersucht, aber mechanistisch wenig verstanden ist. Während der ersten Förderphase (Projekt ProPHet) wurde das quantitative Verständnis von Populationsheterogenität, die durch Zell-Bioreaktor-Interaktion in Zulaufprozessen mit E. coli FUS4 (pF81kan) zur Umwandlung von Glycerin in L-Phenylalanin (L-Phe) entstehen, erhöht. Die experimentelle Untersuchung wurde mit einem Vierfach-Reporter Stamm durchgeführt, der Informationen über Wachstum, generelle Stressantwort, Sauerstoffverfügbarkeit und Produktbildung einzelner Zellen liefert. Kultivierungen im Rührkesselreaktor (STR) wurden mit großtechnischen Prozessbedingungen verglichen, die im multi-Kompartiment Reaktor simuliert wurden, der aus einem STR und einem neuartigen Bypass-Reaktor, der als Coiled Flow Inverter (CFI) ausgelegt ist, besteht. Die theoretische Untersuchung wurde mit Populationsbilanz-Gleichungen und Agenten-basierter Modellierung durchgeführt, nachdem ein grobes Modell der Zellkomponenten generiert wurde.ProPHet2Con zielt darauf ab durch Populationsheterogenität verursachte Schwankungen der Prozessleistung in Zulaufprozessen zur L-Phe Produktion zu kontrollieren. Ein für die Prozessleistung positiver Populationsheterogenitätsgrad wird durch Förderung von Subpopulationen mit vorteilhaften Eigenschaften aufrechterhalten. Besonderes Augenmerk wird dabei auf den Prozess im STR-CFI gelegt.Vor Implementierung der Prozesssteuerung wird der L-Phe Produktionsprozess unter Anwendung des groben Modells der Zellkomponenten und stöchiometrischer Modellierung in Bezug auf finale Produkttiter und Produktivität optimiert, insbesondere im STR-CFI.Voraussetzung für die Beeinflussung des Populationsheterogenitätgrads durch automatisierte Prozesssteuerung, wird die manuelle Durchflusszytometriemessung durch automatisierte Echtzeit-Durchflusszytometrie (ART-FCM) ersetzt. Der ART-FCM-Aufbau wird durch das kürzlich veröffentlichte Prozesskonzept Segregostat erweitert, das es ermöglicht, den Grad der Diversifizierung einer Bioreaktorpopulation durch Einzelzellphysiologie-basierte Zuführung der Kohlenstoffquelle auf einen Sollwert zu regeln. Darüber hinaus werden modellbasierte Soft Sensoren zur Schätzung nicht messbarer Parameter implementiert. Basierend auf experimentellen Untersuchungen sollen Strategien formuliert werden, um den Populationsheterogenitätsgrad durch modellbasierte Prozessrückkopplungskontrolle nach ART-FCM-Messung der Einzelzellphysiologie zu beeinflussen. Eine solche Kopplung zwischen ART-FCM und fortschrittlicher modell-basierter Prozesssteuerung wurde unseres Wissens bisher nie realisiert. Die formulierten Strategien werden im Zulaufprozess zur L-Phe Produktion experimentall validiert.Sobald die Prozesssteuerung realisiert ist, wird das Skalierungs-Potenzial des Prozesses in den Pilotmaßstab untersucht.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
Großgeräte
Automatisierter Probenehmer
Gerätegruppe
1060 Dilutoren, Pipettiergeräte, Probennehmer
Mitverantwortlich
Professor Dr.-Ing. Dirk Weuster-Botz
