Modularer Mikro-Hohlfaserreaktor zur Proteinabtrennung
Das Institut für Technische Chemie der Leibniz Universität Hannover hat gemeinsam mit den Unternehmen Saxonia BioTec und RiNA ein modulares Mikro-Hohlfaserreaktorsystem entwickelt.
Bisher war die Anwendung von Hohlfasermodulen auf Produktionsprozesse beschränkt. Die neuentwickelten miniaturisierten Hohlfasermodule ermöglichen es, diese nunmehr auch im kleinen Maßstab bereits in der Verfahrensentwicklung einzusetzen. Es können integrierte Hohlfasermodulkaskaden aufgebaut werden, die im kontinuierlichen Betrieb von der Kultivierung bis hin zum vorgereinigten Produkt alle biotechnologischen Prozessschritte beinhalten. Die Umwelt profitiert vom verringerten Ressourcenbedarf und reduzierten Reststoffströmen.
Hohlfasermodule in der Verfahrensentwicklung Die Nutzung miniaturisierter Hohlfasermodule ist ein zukunftsweisender Ansatz für die Entwicklung und Durchführung kontinuierlicher und integrierter biotechnologischer Verfahren. Mit diesen Modulen lassen sich die biotechnologisch hergestellten Produkte abtrennen oder die für die Produktion eingesetzten Zellen beziehungsweise immobilisierten Biokatalysatoren im Reaktor zurückhalten. Die entwickelten Reaktormodule wurden reaktionstechnisch beschrieben und wichtige Parameter wie Verweilzeitverhalten und Mischzeitverhalten ermittelt. Für Kultivierungen wurde eine geeignete Sauerstoff-Begasungsstrategie entwickelt, die Substratzufuhr optimiert und ein geeignetes Sterilisationsprotokoll erarbeitet.
Gezielte Membranfunktionalisierung Für die gezielte Bindung von Produktmolekülen wurden die Hohlfasern chemisch aktiviert und mit verschiedenen Bindungsgruppen, so genannten Affinitätsliganden, funktionalisiert. Der Schwerpunkt der bisherigen Arbeiten lag auf der Anwendung von Hohlfasermodulen mit denen es möglich ist, Histidin-markierte Proteine aufzureinigen. Darüber hinaus kamen auch Aptamer-Liganden zum Einsatz, die zur hochaffinen Bindung des Blutgerinnungsenzyms Thrombin und synthetischer Peptide verwendet wurden.
Einsatz der Reaktormodule Die selektive Produktabtrennung verschiedener Proteine und einer Aminosäure mithilfe der Mikro-Hohlfaserreaktoren wurde am Beispiel dreier Modellverfahren mit den Testorganismen Escherichia coli, Corynebacterium glutamicum und Bacillus megaterium demonstriert. Die Proteinabtrennung funktioniert auch bei gleichzeitiger Kultivierung der Mikroorganismen im extrakapillaren Raum des Hohlfaserreaktors. In den Mikro-Hohlfaserreaktoren kann ebenfalls eine Wirkstofftestung mit Zellkulturen durchgeführt werden, wie die erfolgreiche Kultivierung der Leberzelllinie HepG2 auf der Hohlfasermembran zeigt.
Weniger Rohstoffe, Energie und Abfälle Die Entwicklung der miniaturisierten Hohlfaserreaktoren entlastet die Umwelt und schont Ressourcen: Es müssen weniger Rohstoffe eingesetzt werden, und der Energieaufwand wird maßgeblich verringert; Produktkontaminationen lassen sich weitestgehend vermeiden und Reststofffrachten werden reduziert.
Projektthema Entwicklung eines modularen Mikro-Hohlfaserreaktors zur maßgeschneiderten Proteinabtrennung
Projektdurchführung Institut für Technische Chemie der Leibniz Universität Hannover Prof. Dr. Thomas Scheper Callinstraße 3 30167 Hannover Telefon 0511|762-2509 Telefax 0511|762-3004 scheper@iftc. uni-hannover.de www.tci.uni-hannover.de
Weiterentwicklung des Systems Mikro-Hohlfaserreaktor mit einer zusätzlichen Lage von Polyvinyldifluorid-Hohlfasern für die Realisierung einer O2 -Begasung (Typ TCI)
