Detailseite
Projekt
Green Bioprinting - Neuartige Agglomerationsumgebung für Pflanzenzellen
Antragstellerinnen
Dr. Anja Lode; Dr.-Ing. Juliane Steingroewer
Fachliche Zuordnung
Bioverfahrenstechnik
Förderung
Förderung von 2016 bis 2020
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 315009568
Pflanzliche Zellkulturen in biotechnologischen Produktionsprozessen rücken vermehrt in den Fokus der Forschung. Zur Steigerung der Energie- und Ressourceneffizienz dieser Prozesse müssen auf die Pflanzenzellen zugeschnittene Verfahren etabliert werden. Aussichtsreich sind integrierte biotechnologische Systeme in denen räumliche und zeitliche Heterogenitäten im Prozess gezielt genutzt werden, um die Geschwindigkeit und die Selektivität der Stoffwandlung und -trennung zu verbessern. Im Forschungsvorhaben wird eine neuartige Agglomerationsmatrix für Pflanzenzellen auf Basis des 3D-Bioprintings geschaffen. Das Bioprinting bietet die Möglichkeit, aus zuvor in Suspension vorliegenden Zellen mit Hilfe computergesteuerter Techniken eine regelmäßige, dreidimensional strukturierte Matrix herzustellen. Während 3D-Bioprinting für Mikroalgen erstmals von den Antragstellern erfolgreich nachgewiesen werden konnte, ist es für Pflanzenzellen in der Literatur bislang nicht beschrieben. Die Produktivität biotechnologischer Prozesse mit Pflanzenzellen soll durch die Einbettung in eine Hydrogelmatrix gesteigert werden (z.B. durch Verminderung von Scherbeanspruchung, vereinfachte Aufarbeitung, Realisierung einer 2-stufiger Prozessführung). Im Hinblick auf die Prozessoptimierung spielt der Stoffaustausch an den Phasengrenzen zwischen der Umgebung und der Matrix sowie innerhalb der Zellagglomerate eine entscheidende Rolle. Der Austausch ist sowohl von der Makro- als auch von der Mikrostruktur (z.B. Porosität) der Hydrogelmatrix abhängig, weshalb eine detaillierte Charakterisierung und Anpassung der Hydrogelstrukturen erfolgt. Mit Hilfe fluoreszenzmikroskopischer Methoden können zeit- und ortsaufgelöste Aussagen über die Morphologie der Einzelzellen sowie deren Aggregationsverhalten und Vitalität in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen getroffen werden. Ein wichtiger Aspekt für die Erarbeitung mathematischer Modelle zur Beschreibung der zu Grunde liegenden Prozesse ist die experimentelle Parametrierung. Es müssen sowohl Parameter auf der Mikro- als auch Makroebene berücksichtigt werden. Unter der Mikroebene werden hier zellspezifische Parameter, u.a. die spezifischen Wachstums- und Produktionsraten und morphologische Parameter, der eingebetteten Zellen verstanden. Die Untersuchungen der Wachstums- und Produktbildungskinetiken werden zunächst in einem Parallelkultivierungssystem mit integrierter Abgasanalytik (RAMOS®) und anschließender Produktanalytik durchgeführt. Die Makroebene umfasst die Parametrierung der 3D-Matrix, d.h. die Ermittlung von Porengrößenverteilungen und materialabhängigen Diffusionskoeffizienten. Es werden Grundlagen für computergestützte Optimierungsansätze gelegt. Ziel ist es, eine auf Mikro- und Makroebene optimierte Matrixstruktur zu generieren, die einen homogenen Stofftransport ermöglicht. Diese Matrixstrukturen werden mit Hilfe des 3D-Bioprintings in einem durchströmten Reaktorsystem experimentell validiert.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
