Entwicklung eines mikrofluidischen Bioreaktors für die Kultivierung von Pflanzenzellen
Creators: name: Finkbeiner, Tim
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2019
Subjects: BioMEMS
mikrofluidischer Bioreaktor
microfluidic bioreactor
Kultivierung von Pflanzenzellen
plant cell cultivation
sekundäre Pflanzenstoffe
plant secondary metabolites
Ultraschallschweißen
ultrasonic welding

description: Die direkte Herstellung pflanzlicher Sekundärstoffe mithilfe von Pflanzenzellkulturen, die in klassischen Produktionsverfahren, wie z. B. im Batch-Fermenter, durchgeführt werden kann, ist für einige Produkte gut beschrieben. Das bekannteste Produkt ist sicherlich Paclitaxel [1]. Daneben gibt es in Pflanzen wertvolle Verbindungen, die durch die Zusammenarbeit unterschiedlich differenzierter Zelltypen biosynthetisiert werden. Die Differenzierung der Pflanzenzelltypen und somit die Produktion dieser Verbindungen werden jedoch unter den Bedingungen im Batch-Fermenter beeinträchtigt. Da auch eine alternative Herstellung vieler dieser komplexen Verbindungen über die chemische Syntheseroute bis heute nicht möglich ist, müssen diese pflanzlichen Sekundärstoffe direkt aus den Pflanzen extrahiert werden. Die im Rahmen dieser Dissertationsarbeit neu entwickelten, modularen mikrofluidischen Bioreaktoren ermöglichen die technische Nachbildung von Pflanzengeweben, indem zwischen verschiedenen Zelltypen mit unterschiedlichen metabolischen Leistungen ein Fluss hergestellt wird. Das synthetisierte Produkt kann im Durchfluss aufgefangen und extrahiert werden. Durch den modularen Aufbau lassen sich flexible Kombinationen erzeugen. Überdies sind zwei Ansätze realisierbar: die Parallelisierung zum optimierten Vorscreening geeigneter Pflanzenzelltypen mit geringer Zellzahl in einem 100 µl-Bioreaktor und die Modularisierung zur fluidischen Koppelung ausgewählter Pflanzenzelltypen mit höherer Zellzahl in einem 800 µl-Bioreaktor. Zur Herstellung dieser mikrofluidischen Bioreaktoren aus biokompatiblen und transparenten Bauteilen erfolgte das Heißprägen aus Polycarbonat (PC) und Polyethylenterephthalat (PET). Das anschließende Ultraschallschweißen dieser Bauteile und die gleichzeitige Integration einer Membran sowie anwenderfreundlichen Schlauchanschlüssen stellt eine geeignete und für die Massenfertigung kompatible Fügetechnologie dar. Dazu wurde ein zweistufiger Ultraschallschweißprozess entwickelt, bei welchem im ersten Schritt eine PET-Membran mit einem PET-Gewebe direkt auf eine Bauteilhälfte ultraschallgeschweißt werden konnte. Im zweiten Schritt wurden die fluidischen Kontaktierungen durch Schlauchanschlüsse in der Bauteilebene realisiert und die zweite Bauteilhälfte gefügt. Dadurch sind die mikrofluidischen Bioreaktoren 3,6-4,2 mm hoch und die Pflanzenzellen können während der Kultivierung direkt unter einem Mikroskop beobachtet werden. Der Betrieb der mikrofluidischen Bioreaktoren wurde unter sterilen Bedingungen mit den Pflanzenzelllinien Nicotiana tabacum, Catharanthus roseus und Taxus chinensis durchgeführt und belegte in ersten Ansätzen das modulare Prinzip. Dabei war die Überwachung wichtiger Parameter bezüglich Physiologie, Morphologie, Viabilität und Teilungsaktivität der Zellen möglich und konnte außerdem durch einen pH-Sensor erweitert werden. Durch einen Messeinsatz für die NMR-Spektroskopie und eine numerische Strömungssimulation wurde verifiziert, dass die Pflanzenzellen sicher mit Nährstoffen versorgt werden. Abschließend wurde eine Kostenanalyse für eine Umsetzung für größere Stückzahlen durchgeführt.