VL 7: Wachstumsmodelle

Sagt aus, ob verschiedene Zellpopulationen einbezogen werden

Segregiert = unterschiedliche Zellpopulation werden berücksichtigt

Unsegregiert: Zellpopulation wird als menge homogener Durchschnittszellen betrachtet

Sagt aus, ob Stoffwechselunterschiede einbezogen werden

Strukturiert = Berücksichtigung unterschiedlicher Eigenschaften im Stoffwechsel

Unstrukturiert = Stoffwechsel wird in allen Zellen als gleich angesehen

1. Unsegregierte- unstrukturierte Modelle

2. Unsegregiertes-strukturiertes Modell

3. Segregiert-unstrukturierte Modelle

4. Segregierte-strukturierte Modelle

• einfachstes Modell

• homogene Durchschnittszellen, die alle die selben Stoffwechseleigenschaften haben

• zur Charakterisierung des Biokatalysators ist in diesem Fall allein die Bestimmung der Biotrockenmasse ausreichend

• stark vereinfachter und idealisierbarter Modellansatz zur Beschreibung der Wachstumskinetik

• Unsegregiert: es wird angenommen, dass eine dominante homogene Zellpopulation im betrachteten reaktionsvolumgen vorliegt und die minoren zellpolulationen vernachlässigt werden können

• Strukturiert: Unterschiede im Stoffwechsel werden berücksichtigt

• ebenfalls stark vereinfachter und idealisierter Modellansatz zur Beschreibung der Wachstumskinetik

• Segregiert: Heterogenität der Zellpopulation wird einbezogen

• Unstrukturiert: Betrachtung der Einzelzellen als unstrukturierte Black Box ohne Berücksichtigung der Stoffwechelunterschiede

-> Beschreibung einer Zelle mit mehreren hundert gleichzeitig ablaufenden Stoffwechelsreaktionen im regregierten-unstrukturierten Modell ist damit nur noch rein empirisch möglich

• komplexestes Modell

• kinetische Beschreibung des Wachstums von heterogenen Zellpopulationen (segregiert) unter Berücksichtigung unterschiedlicher Eigenschaften im Stoffwechsel verschiedener Zellen (strukturiert)

Entstehung unterschiedlicher Zellpopulationen im Bioreaktor durch:

• Zellteilung nicht immer exact symmetrsich (ungleiche Verteilung von Plasmiden)

• Eukaryotische Zellen laufen asynchron durch den Zellzyklus

• durch das Altern ist keine Knospung bei Hefen mehr möglich

• unterschiedliche Substratverfügbarkeiten in Zellaggregaten oder Inhomogenitäten in Bioreaktoren können zur Ausbildung unterschiedlicher Zellpopulationen führen

• Produkt leitet sich direkt aus dem Primär- und Energiestoffwechsel ab

• Ohne Zwischenprodukt, als direktes Produkt aus dem Substrat

• Substratverbrauchs,- Wachstums- und Produktbildungsrate verlaufen praktisch parallel

• direkter stöchiometrische Zusammenhang zwischen Subtratverbrauch und Produktbildung

• Produkt leitet sich aus dem primärstoffwechsel ab, aber die biochemische Bildung erfolgt über Seiten- bzw. Nebenwege des Stoffwechsels

• in verschiedenen Zeitphasen des Prozesses sind unterschiedliche Maxima für Substratverbrauchta-, Wachstums und Produktbildungsrate zu beobachten

• Wachstum und Primärstoffwechsel sind zeitlich einduetig von der Produktbildung eintkoppelt

• Verbrauch von O2

• Entsteht von CO2

• Verbrauch der Substrate

• Produktzunahme

• Zellmenge

• Ein Prozessmodell besteht aus Massen- und Stoffbilanzen (bei Bedarf plus Energiebilanzen)

• Bilanziert werden z.B. Massen- oder Molmengen einzelner Spezies in einem Bilanzraum ->Erhaltungsgesetze gelten

• Bilanzgrenzen sollten so gewählt werden, dass alle ein- und austretenden Stoffströme (analog Energieströme) erfasst und die innerhalb des Systems ablaufenden reaktionen beschrieben werden können

• in den nachfolgend vorgestellten Prozessmodellen steht die Modellbildung auf der Basis von Massen- und Stoffbilanzen im Vordergrund

• Alle Inhaltsstoffe für biologische Stoffwandlung von Beginn an vorgelegt

• Medium vorab sterilisiert, gewünschten Substratmengen eingesetzt, pH-Wert eingestellt (und wird laufend überprüft)

• Bei aeroben Fermentationen aktive Belüftung, da löslichkeit von O2 im wässrigen Reaktionsmedium gering ist

• Es gibt keinen kontinulierlichen Zu- bzw. Ablauf

Unterschied beim Fed-Batch Verfahren:

• nicht alle Medienbestandteile sind von Prozessbeginn an vorgelegt, sondern werden über einen Zulauf Fin als Funktion der Zeit dem Bioreaktor steril zugeführt

• Dadruch werden unerwünschte Nebenproduktbildungen der Zellen bei zu hohen Substratkonzentrationen vermieden und die Zellaktivität kann gezielt über die Substratverfügbarkeit gesteuert werden

• idR mit kostantem Reaktionsvolumen Vl = Zu- und Ablaufmengen sind gleich

• Die Laufzeit liegt deutlich über der des Zulaufverfahrens, da hierbei keine Begrenzung durch das endliche Reaktorvolumen besteht

• Es werden Prozesse mit oder ohne Zellrückhaltung durchgeführt

= Strategie zur Produktherstellung

• Art des reaktors

• Aerob/Anaerob

• Art des Organismus

• Substratwahl

• Reinigungsmethoden

• Sensoren

= selbe Reaktion soll in größerem Maßstab laufen, Vergrößerung des reaktors

1. Entwickung eines Basis-verfahrens im Labormaßstab

2. Bestätigung (consolidation) des Verfahrens in kleinem technischen Maßstab

3. Maßstabvergrößerung des verfahrens und Herstellung von produkt im Hinblick auf die kommerzielle produktion

4. Übertragung (transfer) des optimierten Verfahrens in eine Produktionsanlage sowie Charakterisierung des Verfahrens

5. Festlegung der Betriebsbedingungen für das kommerzielle Verfahren

• Lösung für Heterogene Mischverhältnisse , Anpassung Rührgeschwindigkeit, Anpassung des Rührers

Heterogene Bedingungen an allen Einlässen entstehen leichter bei großen Behältern!

• je höher der Reaktor, desto höher der Druck und desto ungleichmäßiger Strofftransport

• Erhöht man die Größe des reaktors und behält Höhe/Durchmesser-Verhältnis bei, wird der Sauerstoffrtansfer erniedrigt

Bei hoher Zelldichte reichern sich die Zellen unten an

• Substrat wird unten schneller verbraucht

• O2 reichert sich unten an durch höheren Druck

• pH ungleichmäßig durch lange Mixzeiten der reagenzien

• CO2 reichert sich oben (Einlass) und unten (Produktion durch Zellen) an

-> Anpassung der Rührerdrehzahl, Begasungsrate, Blasengröße

P/V ist abhängig von:

• Rührergeschwindigkeit

• Reaktordurchmesser

• Viskosität

Soll P/V konstant gehalten werden:

Anpassen der oben genannten Größen