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T1 - Entwicklung eines neuartigen, nicht invasiven insitu Kombi-Sensors (ISICOM) zur Überwachung des metabolischen Zustandes von Kultivierungsprozessen

AU - Dahlmann, Katharina

PY - 2023

Y1 - 2023

N2 - Laut der PAT-Guideline der Food and Drug Administration (FDA) in den USA aus 2004 ist eine kontinuierli-che real time Qualitätsanalyse notwendig. Durch das tiefere Verständnis soll aufgeklärt werden, wie in der Biotechnologie die Produktformulierung und der Herstellungsprozess zusammenhängen und wie die Pro-duktqualität beeinflusst wird (Food and Drug Administration 2004). Die meisten modernen biotechnologischen Prozesse verfügen dabei über das klassische Sensoren-Trio aus Temperatur, pH und Sauerstoff. Dieses Trio eignet sich für die Prozesssteuerung, erfüllt aber nicht die Anforderungen der Food and Drug Administration für Real-Time-Qualitätsanalyse bzw. den Anspruch, ein tieferes Prozessverständnis zur generieren. Da die Prozesse durch Zellen bestimmt werden, ist das Wissen, was in den Zellen vorgeht, wichtig und entscheidend für den Prozessverlauf. Der Metabolismus der Zellen ist in den meisten Fällen bekannt, zusammen mit den Ausnahmen bzw. den Bedingungen, unter denen die Zellen ihren Metabolismus umstellen. Was fehlt, ist eine Möglichkeit, die Änderung des Metabolismus in Echtzeit im Prozess beobachten zu können. So kann die Änderung des Metabolismus gekennzeichnet sein durch einen entkoppelten Anstieg der CO2-Konzentration in Zusammenhang mit einem geringen Sauer-stoffbedarf. Das oben genannte Sensor-Trio ist nicht dazu in der Lage, diese Informationen zur Verfügung zu stellen und damit bleiben die Informationen zum Metabolismus der Zellen im Prozess verborgen. Die in dieser Arbeit vorliegenden Sensoren erweitern das klassische Sensor-Trio um einen in situ Kombi-sensor (ISICOM) bzw. eine Mikrofluidik-Sensorplattform (miniCOM), die die Möglichkeit bieten, die meta-bolische Aktivität der Zellen in Echtzeit im Prozess zu überwachen. Dabei werden Sensoren für den Ge-brauch in unterschiedlichen Reaktorskalen und Reaktortypen für den Multi- und Single-use- Bereich ent-wickelt. Die Sensoren messen dabei ein repräsentatives Volumenelement des Reaktorvolumens, mittels der dynamischen Methode. Durch diese Sensoren stehen Prozessgrößen wie Sauerstoffaufnahmerate (OUR), Kohlendioxidemissionsrate (CER), respiratorischer Quotient (RQ), Sauerstofftransportkoeffizient (kLa) und die zellspezifische Sauerstoffaufnahmerate (qOUR) in Echtzeit zur Verfügung. Sie bieten die Möglichkeit, bereits im frühen Stadium der Prozessentwicklung wertvolle Informationen zu sammeln und neuartige Prozessregelungsstrategien früh zu etablieren und dann im Laufe der Prozessentwicklung zu skalieren. Die weiterführende Charakterisierung von Vorarbeiten der Sensoren konnte zeigen, dass es keinen Rühr-mechanismus in der Messkammer des ISICOMs benötigt. Gleichzeitig konnte eine sterile Integration in des miniCOMs in unterschiedliche Reaktorsysteme gezeigt werden. Beim Einsatz der beiden Sensoren in biotechnologischen Prozessen mit Hefen und Tierzellen konnten Sau-erstoffaufnahmeraten über 50 mmol L-1 h-1 gemessen werden. Des Weiteren konnten Kohlenstoffdioxide-missionsraten bis 7 mmol L-1 h-1 gemessen werden. Zusätzlich konnte die zellspezifische Sauerstoffauf-nahme punktuell zur Erweiterung des Prozesswissens genutzt werden, sowie der Sauerstofftransportkoef-fizient kLa Online über den gesamten Prozess zur Verfügung gestellt werden. Die Kombination der Senso-ren des miniCOMs und des ISICOMs bilden eine vielversprechende Grundlage für die Entwicklung und Skalierung neuer Regelungsstrategien in der Prozessentwicklung und -charakterisierung.

AB - Laut der PAT-Guideline der Food and Drug Administration (FDA) in den USA aus 2004 ist eine kontinuierli-che real time Qualitätsanalyse notwendig. Durch das tiefere Verständnis soll aufgeklärt werden, wie in der Biotechnologie die Produktformulierung und der Herstellungsprozess zusammenhängen und wie die Pro-duktqualität beeinflusst wird (Food and Drug Administration 2004). Die meisten modernen biotechnologischen Prozesse verfügen dabei über das klassische Sensoren-Trio aus Temperatur, pH und Sauerstoff. Dieses Trio eignet sich für die Prozesssteuerung, erfüllt aber nicht die Anforderungen der Food and Drug Administration für Real-Time-Qualitätsanalyse bzw. den Anspruch, ein tieferes Prozessverständnis zur generieren. Da die Prozesse durch Zellen bestimmt werden, ist das Wissen, was in den Zellen vorgeht, wichtig und entscheidend für den Prozessverlauf. Der Metabolismus der Zellen ist in den meisten Fällen bekannt, zusammen mit den Ausnahmen bzw. den Bedingungen, unter denen die Zellen ihren Metabolismus umstellen. Was fehlt, ist eine Möglichkeit, die Änderung des Metabolismus in Echtzeit im Prozess beobachten zu können. So kann die Änderung des Metabolismus gekennzeichnet sein durch einen entkoppelten Anstieg der CO2-Konzentration in Zusammenhang mit einem geringen Sauer-stoffbedarf. Das oben genannte Sensor-Trio ist nicht dazu in der Lage, diese Informationen zur Verfügung zu stellen und damit bleiben die Informationen zum Metabolismus der Zellen im Prozess verborgen. Die in dieser Arbeit vorliegenden Sensoren erweitern das klassische Sensor-Trio um einen in situ Kombi-sensor (ISICOM) bzw. eine Mikrofluidik-Sensorplattform (miniCOM), die die Möglichkeit bieten, die meta-bolische Aktivität der Zellen in Echtzeit im Prozess zu überwachen. Dabei werden Sensoren für den Ge-brauch in unterschiedlichen Reaktorskalen und Reaktortypen für den Multi- und Single-use- Bereich ent-wickelt. Die Sensoren messen dabei ein repräsentatives Volumenelement des Reaktorvolumens, mittels der dynamischen Methode. Durch diese Sensoren stehen Prozessgrößen wie Sauerstoffaufnahmerate (OUR), Kohlendioxidemissionsrate (CER), respiratorischer Quotient (RQ), Sauerstofftransportkoeffizient (kLa) und die zellspezifische Sauerstoffaufnahmerate (qOUR) in Echtzeit zur Verfügung. Sie bieten die Möglichkeit, bereits im frühen Stadium der Prozessentwicklung wertvolle Informationen zu sammeln und neuartige Prozessregelungsstrategien früh zu etablieren und dann im Laufe der Prozessentwicklung zu skalieren. Die weiterführende Charakterisierung von Vorarbeiten der Sensoren konnte zeigen, dass es keinen Rühr-mechanismus in der Messkammer des ISICOMs benötigt. Gleichzeitig konnte eine sterile Integration in des miniCOMs in unterschiedliche Reaktorsysteme gezeigt werden. Beim Einsatz der beiden Sensoren in biotechnologischen Prozessen mit Hefen und Tierzellen konnten Sau-erstoffaufnahmeraten über 50 mmol L-1 h-1 gemessen werden. Des Weiteren konnten Kohlenstoffdioxide-missionsraten bis 7 mmol L-1 h-1 gemessen werden. Zusätzlich konnte die zellspezifische Sauerstoffauf-nahme punktuell zur Erweiterung des Prozesswissens genutzt werden, sowie der Sauerstofftransportkoef-fizient kLa Online über den gesamten Prozess zur Verfügung gestellt werden. Die Kombination der Senso-ren des miniCOMs und des ISICOMs bilden eine vielversprechende Grundlage für die Entwicklung und Skalierung neuer Regelungsstrategien in der Prozessentwicklung und -charakterisierung.

U2 - 10.15488/15375

DO - 10.15488/15375

M3 - Dissertation

CY - Hannover

ER -