Respiration Activity Monitoring System Hi Tec Zang Gmb

Respiration Activity Monitoring System © Hi. Tec Zang Gmb. H - HRE Bioprozessoptimierung

Bioprozessoptimierung Online – Bestimmung der Atmungsaktivitäten (OTR, CTR, RQ) Respiration Activity Monitoring System © Hi. Tec Zang Gmb. H - HRE in Schüttelkolben

Anwendungsgebiete © Hi. Tec Zang Gmb. H - HRE 4 Online-Verfolgung der Stoffwechselaktivität von pro- und eukaryotischen Kulturen in Schüttelreaktoren

Anwendungsgebiete 4 Einfache Ermittlung von Kenngrößen: Sauerstofftransferrate (OTR) Kohlendioxidtransferrate (CTR) Respirationsquotient (RQ) maximale Wachstumsrate (µmax) volumetrischer Sauerstoffübergangskoeffizient (k. La) die ein sicheres Scale–Up ermöglichen. © Hi. Tec Zang Gmb. H - HRE …,

Anwendungsgebiete 4 Schnelle Erkennung von charakteristischen biologischen Phänomenen. OTR Verläufe: Unlimitiertes Wachstum auf Minimalmedium Substratlimitierung (außer C-Quelle) Sauerstofflimitierung Sauerstofftransferrate Produktinhibierung ( z. B. p. H, Temp. ) Diauxie = gesamter Sauerstoffverbrauch [mol/l] Sauerstofftransferrate Fermentationszeit 6 Fermentationszeit Sauerstofftransferrate Fermentationszeit © Hi. Tec Zang Gmb. H - HRE Sauerstofftransferrate maximale Sauerstoff -transferkapazität

Anwendungsgebiete © Hi. Tec Zang Gmb. H - HRE 7 4 Schnelle Erkennung von charakteristischen biologischen Phänomenen. CTR-Verläufe:

Anwendungsgebiete 4 Ermittlung geeigneter Bedingungen für das konventionelle Massenscreening (Versuchsdauer, Medien, Betriebsbedingungen …) 4 Optimieren von Substratkonzentrationen und Reduzierung der Entwicklungszeiten für Medien 4 Wachstumskontrolle unter sterilen Bedingungen 4 Gezielte Probennahme nach der Sauerstofftransferrate 4 Qualitätskontrolle © Hi. Tec Zang Gmb. H - HRE 4 Bilanzieren von Fermentationen (Toxizitäts- und Proliferationsassays)

Stand der Technik Online. Abgasanalytik gerührter Bioreaktor ? geschüttelter Bioreaktor © Hi. Tec Zang Gmb. H - HRE online OTR CTR RQ

Motivation „Die Nachteile des Schüttelkolbens als Experimentiersystem, sind die, dass der Experimentator nur sehr begrenzte Möglichkeiten der Überwachung und Regelung hat. “ „Die Schwäche von small-scale Flüssigfermentationen: diskontinuierliche Überwachung“ Hilton, 1999 © Hi. Tec Zang Gmb. H - HRE Payne et al. , 1990

Was wird gemessen? Kohlenstoffquelle (Glutamin, Glucose, . . . ) Spurenelemente, Vitamine Stickstoffquelle (Ammonium, Harnstoff, Hefeextrakt, Pepton, . . . ) Schwefelquelle (Sulfat, Cystein, . . . ) Produkt (Alkohol, Proteine, Aminosäuren, . . . ) Sauerstoff Kohlendioxid © Hi. Tec Zang Gmb. H - HRE Phosphorquelle (Phosphat, Phytin)

Unbekannter Fermentationsverlauf Normaler Schüttelkolben: Kulturverlauf A ? Zeit Versuchsende © Hi. Tec Zang Gmb. H - HRE B

Bekannter Fermentationsverlauf Kulturverlauf A B B Zeit Versuchsende © Hi. Tec Zang Gmb. H - HRE A

Lösung bestimmt online die Atmungsaktivitäten (OTR, CTR, RQ) von aeroben Mikroorganismen in Schüttelkolben unter sterilen © Hi. Tec Zang Gmb. H - HRE Bedingungen

Klare Vorteile 4 Mehr Informationen über die mikrobiologischen Prozesse im Schüttelkolben 4 Schnelle Charakterisierung und gezielte Optimierung von Medien 4 Ersetzt teure Versuche im Fermenter 4 Paralleltechnik (Zeit, Vergleichbarkeit, …) 4 Einfache Handhabung 4 Schafft optimale Screeningbedingungen 4 Quasi-Non-Stop-Betrieb durch sehr kurze Rüstzeiten 4 Reduzierung der Versuchsdauer auf die tatsächlich erforderliche Zeit 4 Unterscheidung betriebsbedingter und biologischer Effekte © Hi. Tec Zang Gmb. H - HRE 4 Erkennung des optimalen Inokulierungszeitpunktes

Beispielfermentationen Ermittlung der optimalen Inokulierungs– und Fed -Batch– Startzeit (50 m. L Kulturvolumen) Zelldichte [N/m. L] OTR CTR Zelldichte Glutamin- und Glucoseverbrauch 0 50 Glucoseverbrauch 100 150 200 Fermentationszeit [h] © Hi. Tec Zang Gmb. H - HRE OTR/CTR [mol/(L·h)] Tierische Zellkultur Hybridoma

Beispielfermentationen Medienoptimierung am Beispiel: Osmolalitätsoptimum (50 m. L Kulturvolumen) Das Osmolalitätsoptimum liegt bei 0, 318 osmol/kg Osmolalität [osmol/kg] © Hi. Tec Zang Gmb. H - HRE Wachstumsrate µ [h-1] Tierische Zellkultur Hybridoma

Beispielfermentationen Vergleich von RAMOS mit einem Rührkesselfermenter mit Abgasanalytik OTR [mol/(L·h)] Tierische Zellkultur Hybridoma Dipl. -Ing. M. Canzoneri Rührkesselfermenter (2 Liter Kulturvolumen) 0 20 40 60 80 Fermentationszeit [h] © Hi. Tec Zang Gmb. H - HRE RAMOS (0, 05 Liter Kulturvolumen)

Beispielfermentationen Einfluss verschiedener Flüssigkeitsvolumina Kolben 1 : 10 m. L Sauerstofflimitierung Kolben 2 : 15 m. L Kolben 3 : 20 m. L Kolben 4 : 30 m. L Kolben 5 : 40 m. L Kolben 6 : 50 m. L Fermentationszeit [h] © Hi. Tec Zang Gmb. H - HRE OTR [mol/(L·h)] Bakterium Corynebacterium glutamicum

Beispielfermentationen Einfluss verschiedener Substratkonzentrationen OTR [mol/(L·h)] Bakterium Pseudomonas fluorescens Fermentationszeit [h] © Hi. Tec Zang Gmb. H - HRE 1 x konzentriert 2 x konzentriert 4 x konzentriert

Beispielfermentationen Medium- und Prozessoptimierung OTR [mol/(L·h)] Hefe Hansenula polymorpha Medium mit 100% Komp. 1, 30 m. L Flüssigkeit Medium mit 200% Komp. 1, 30 m. L Flüssigkeit Fermentationszeit [h] © Hi. Tec Zang Gmb. H - HRE Medium mit 200% Komp. 1, 20 m. L Flüssigkeit

Beispielfermentationen Zellwachstum innerhalb eines RAMOS-Versuchs Dipl. -Ing. M. Canzoneri © Hi. Tec Zang Gmb. H - HRE Tierische Zellkultur Hybridoma

Beispielfermentationen Zellwachstum innerhalb eines RAMOS-Versuchs Tierische Zellkultur Hybridoma Zelldichte [N/ml] Dipl. -Ing. M. Canzoneri 0 40 80 120 160 Fermentationszeit [h] © Hi. Tec Zang Gmb. H - HRE 8 -fach Parallelmessung

Handhabungsvorteile 4 Geringer Platzbedarf – RAMOS passt auf einen normalen Labortisch 4 Quasi-Non-Stop-Betrieb durch sehr kurze Rüstzeiten 4 Einfaches und schnell erlernbares Handling © Hi. Tec Zang Gmb. H - HRE 4 Komplett automatisierte Anwendersoftware

© Hi. Tec Zang Gmb. H - HRE Bedienoberfläche

© Hi. Tec Zang Gmb. H - HRE Kolbenübersicht

© Hi. Tec Zang Gmb. H - HRE Sauerstofftransferrate (OTR)

Detailansicht für jeden einzelnen Kolben (OTR, CTR, RQ) C-Quelle (Glucose) verbraucht Ethanol verbraucht exp-Phase Sauerstofflimitierung © Hi. Tec Zang Gmb. H - HRE lag-Phase

O 2 -, CO 2 - Transfer Sauerstofftransfer (OT) Kohlendioxidtransfer (CT) © Hi. Tec Zang Gmb. H - HRE 4 Bilanzierung des gesamten Sauerstofftransfers über den Fermentationsverlauf

maximale Wachstumsrate µ © Hi. Tec Zang Gmb. H - HRE maximale Wachstumsrate µ

Bringen Sie Licht in Ihre Prozesse CTR © Hi. Tec Zang Gmb. H -

OTR [mol/(L·h)] Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Medium mit 100% Komp. 1, 30 ml Flüssigkeit Medium mit 200% Komp. 1, 20 ml Flüssigkeit 4 Optimierung der Fermentationszeit 4 Amortisationszeit: ca. 6 Monate 4 Zusatznutzen: Vermeidung von Fehloptimierungen © Hi. Tec Zang Gmb. H - HRE Fermentationszeit [h]

Zellkultur (Hybridoma) © Hi. Tec Zang Gmb. H - HRE 34 • Dosierung

FTT® Fluid-Train System © Hi. Tec Zang Gmb. H - HRE 35 • Dosierung

FTT® Fluid-Train System © Hi. Tec Zang Gmb. H - HRE 36 • Geregelte

RQFeed™ ● Bestimmung von RQ durch OUR, CER online Messungen © Hi. Tec Zang Gmb. H - HRE 37 ● exakte Fütterung der Kulturen ● signifikant erhöhte Produktionsrate ● Verkürzung der Fermentationszeiten

Cell. Drum™ - Zellkraftmessung Reproduzierbare biomechanische Messung Personalisierte Medikamenten- und Toxinforschung Ersatz für Tierversuche Integrierte, vollautomatische und heißsterilisierbare Pipettiereinheit ● 24 - 96 Multiwell Einheit mit integrierter Sensorik © Hi. Tec Zang Gmb. H - HRE 38 ● ●

Hi. Sense™ - Präzisionsabgasanalytik 39 1 bis 8(5) Messkanäle für 1 bis 4 Fermenter Hochauflösende Messung (-c Version) Feuchtekorrektur (-c Version) „Echte“ OUR, CER und RQ Messung (-c Version) Geringe Querempfindlichkeit Überdruck möglich Verschleißfreie Sensorik Kompakt Zusatzfunktionen integrierbar Opt. frei programmierbar Viele Kopplungsmöglichkeiten Datenexport möglich © Hi. Tec Zang Gmb. H - HRE ● ● ●

Zellkultur (Hybridoma) © Hi. Tec Zang Gmb. H - HRE 40 • Ohne Dosierung

Zellkultur (Hybridoma) © Hi. Tec Zang Gmb. H - HRE 41 • Dosierung auf

Zellkultur (Hybridoma) © Hi. Tec Zang Gmb. H - HRE 42 • Dosierprogramm

Zellkultur (Hybridoma) © Hi. Tec Zang Gmb. H - HRE 43 • Parametrierung der

Kooperationen und Veröffentlichungen Kooperationen: Fachhochschule Aachen, Abteilung Jülich Labor für Zellkulturtechnik Prof. Dr. Manfred Biselli Technische Hochschule Aachen, Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik Prof. Dr. -Ing. Jochen Büchs Veröffentlichungen: Stöckmann Ch. , Maier U. , Anderlei T. , Knocke Ch. , Gellissen G. , Büchs J. , The Oxygen Transfer Rate as Key Parameter for the Characterisation of Hansenula polymorpha Screening Cultures, J. Ind. Microbiol. Biotechnol. 30, 613 -622, 2003 Anderlei T. , Zang W. , Büchs J. , Online respiration activity measurement (OTR, CTR, RQ) in shake flasks, Biochem. Eng. J. 17(3), 187 -194, 2004 Lotter St. , Büchs J. Utilization of power input measurements for optimisation of culture conditions in shaking flasks, Biochem. Eng. J. 17(3), 195 -204, 2004 Losen M. , Lingen B. , Pohl M. , Büchs. J. , Effect of oxygen-limitation and medium composition on Escherichia coli in small-scale cultures, Biotechnol. Progress. (accepted) © Hi. Tec Zang Gmb. H - HRE Anderlei T. , Büchs J. , Device for sterile online measurement of the oxygen transfer rate in shaking flasks, Biochem. Eng. J. 7(2), 157 -162, 2001