Online monitoring of microbioreactor arrays via 2D-fluorescence spectra analysis
Final Report Abstract
In der vorliegenden Arbeit wurde eine Technik zur Online-Überwachung von Kultivierungen in Mikrotiterplatten mittels 2D-Fluoreszenzspektroskopie erfolgreich entwickelt. Basierend auf der weit verbreiteten BioLector-Technologie wurde ein Messsystem realisiert, das die Aufnahme von 2D-Fluoreszenzspekren in allen Wells einer 48-Well Mikrotiterplatte binnen 30 Minuten ermöglicht. Das neu entwickelte System gestattet somit eine ausreichend hohe Datendichte, um auch schnell wachsende Mikroorganismen parallel zu überwachen. Zudem konnte gezeigt werden, dass die aufgenommen 2D-Fluoreszenzspektren zur Erstellung chemometrischer Modelle erfolgreich eingesetzt werden können. Unterschiedliche Datenvorverarbeitungsverfahren zeigten keine signifikante Verbesserung der Vorhersagegüte im Vergleich zur Standardauswertung. In Kultivierungen von H. polymorpha und E. coli wurden die Konzentrationen der Biotrockenmasse und von Glycerin, Glukose und Acetat sowie dem pH-Wert bestimmt. Zur Reduzierung des Versuchsaufwands für den Anwender wurde das neu entwickelte Messsystem in einen Pipettierroboter integriert. Dieser ermöglicht die automatische Entnahme der Kulturbrühe während der Kultivierung und die Übertragung in einen Cool-Carrier. Die gesammelten Proben können dann am Ende des Versuchs auf einmal analysiert werden. Alternativ zu den Offline-Messungen wurde ein Auswerteverfahren zur Berechnung chemometrischer Modelle entwickelt, dass nur die Fluoreszenzrohspektren von drei Wells benötigt, die unterschiedliche Startsubstratkonzentrationen aufweisen, um den Verlauf von Biomasse und Substrat beziehungsweise die spezifische Wachstumsrate und den Ausbeutekoeffizienten zu bestimmen. Für diese modellbasierte Kalibration und zur optimalen Versuchsplanung wurden theoretische Prozessmodelle genutzt. Für eine optimale Versuchsplanung werden Schätzwerte für die Parameter des Prozessmodells benötigt. Es konnte gezeigt werden, dass mit der modellbasierten Kalibration die Parameterwerte für das Prozessmodell ohne eine einzige Offline-Messung hinreichend genau geschätzt werden konnten. Darüber hinaus ließen sich in diesem Schritt chemometrische Modelle berechnen, mit denen eine sehr gute Vorhersage von Glycerin und Biomasse möglich ist. Basierend auf der modellbasierten Kalibration kann für weitere Wells bzw. Kultivierungen mit hoher Startsubstratkonzentration und dementsprechend längerer Dauer mit den geschätzten Parameterwerten annähernd optimale Messzeitpunkte berechnet werden. Somit ist eine Charakterisierung von Mikroorgansimen oder Medien auf Mikrotiterplatten mit 4 Wells und 3 unterschiedlichen Substratkonzentrationen (niedrig, mittel und zweimal hoch) fast genauso gut möglich wie mit klassischen Offline-Messungen, wofür in diesem Beispiel 19 Wells bzw. Offline-Messungen benötigt wurden. Der Messaufwand konnte also deutlich reduziert werden.
Publications
- Fluorescence spectroscopy and chemometric modeling for bioprocess monitoring. Sensors. 2015
Faassen S M, Hitzmann B
(See online at https://dx.doi.org/10.3390/s150510271) - Parallel online multi-wavelength (2D) fluorescence spectroscopy in each well of a continuously shaken microtiter plate. Biotechnol J. 2016
Ladner T, Beckers M, Hitzmann B, Büchs J
(See online at https://doi.org/10.1002/biot.201600515) - Application of Mini- and Micro- Bioreactors for Microbial Bioprocesses. In Current Developments in Biotechnology and Bioengineering. Elsevier; 2017:433–461
Ladner T, Grünberger A, Probst C, Kohlheyer D, Büchs J, Delvigne F
