RAMOS^® für die Bioprozessoptimierung

RAMOS^® (Respiration Activity MOnitoring System) hat sich weltweit als Standard-Messsystem zur Online-Bestimmung der Atmungsaktivität von pro- und eukaryotischen Kulturen in Schüttelkolben etabliert.

Die Respirationsrate ist direkt proportional zur aeroben Stoffwechselaktivität der lebenden Zelle und ermöglicht somit ein kontinuierliches Monitoring des Zellwachstums und indirekt der Produktbildungsrate.

Durch den Einsatz des RAMOS^® beim Screening nach effizienten Produktionsstämmen und optimaler Prozessführung wird eine Amortisation durch Einsparung von Laborstunden und die Verkürzung von Entwicklungszeiten in kurzer Zeit erreicht, so dass Produktionskosten nachhaltig und entscheidend reduziert werden.

Vorteile

Mehr Informationen über Ihre mikrobiologischen Prozesse
Unterscheidung prozessbedingter und biologischer Effekte
Alternative zu teuren Versuchen im Fermenter
Kultivierungsbedingungen identisch zum Standard-Schüttelkolben
Quasi-Non-Stop-Betrieb durch kurze Rüstzeiten und einfache Handhabung

Schafft optimale Screening-Bedingungen
Schnelle und gezielte Medienoptimierung
Reduktion der effektiven Versuchsdauer
Verkürzte „Time-to-Market“

RAMOS^® liefert die benötigten Informationen für

Bioprozessentwicklung
Produktionsstamm-Screening
Prozessoptimierung
Medienoptimierung
Fermentationsvalidierung
Scale-Up

Potential

Standardmäßig werden Untersuchungen zur Bestimmung der Atmungsaktivität in Rührkesselreaktoren mit separater Abgasanalytik durchgeführt. Statistisch sichere Ergebnisse erfordern jedoch viele Parallelversuche, welche den experimentellen Aufwand erheblich vergrößern. Mit dem RAMOS^® können in der selben Zeit acht Versuche parallel durchgeführt und online erfasst werden, womit der Zeit- und Kostenaufwand nur einen Bruchteil der herkömmlichen Verfahrensweise beträgt.

Eine typische Screening-Anwendung mit einer entsprechend hohen Anzahl an Versuchen ist die Medienoptimierung. Aufgrund des hohen experimentellen Aufwands wird daher in der Regel auf Voll- bzw. Komplexmedien (z. B. LB-Medium für E. coli) für die Kultivierung zurückgegriffen. Die heterogene Zusammensetzung komplexer Medien führt jedoch häufig zur Limitation des Wachstums oder der Produktbildung, da eine oder mehrere Substanzen stöchiometrisch nur unzureichend enthalten sind. Mit der Kombination des RAMOS^® mit einer statistischen Versuchsplanung (DOE) kann der Einfluss jeder Substanz auf Wachstum und Produktbildung in kürzester Zeit untersucht werden.

Anhand der Messkurven werden biologische Grundphänomene sicher erkannt wie zum Beispiel

Substrat-/Sauerstofflimitierung
Produktinhibierung
Diauxie
Gärung
Overflow-Metabolismus

In zahlreichen untersuchten Prozessen wurden so Schlüsselerkenntnisse gewonnen und langjährigen Entwicklungsarbeiten der entscheidende Impuls gegeben.

Anwendungsgebiete

Kontinuierliches Monitoring des Wachstums pro- und eukaryotischen Kulturen einschließlich Säugerzellen
8-fach parallele Online-Messung der Atmungsaktivität unter sterilen Bedingungen
Einfache Ermittlung von charakteristischen Kenngrößen (OTR, CTR, RQ, μmax)
Bioprozessoptimierung durch frühzeitige Erkennung von Sauerstoff-und Substratlimitation oder Produktinhibierung
Bioassays (Toxizitätstest, Proliferationsassay)

Ermittlung geeigneter Betriebsbedingungen für Primär- und Sekundärscreening (Medien, Versuchsdauer, Betriebsbedingungen)
Reduzierung der Entwicklungszeiten für Medien- und Prozessoptimierung
Prozessbilanzierung und -Quantifizierung Qualitätskontrolle

Messung der Sauerstofftransferrate

Die Sauerstofftransferrate (OTR) ist die am besten geeignete und universellste Messgröße, um den physiologischen Zustand und die Aktivität einer Kultur aerober Mikroorganismen zu charakterisieren und zu quantifizieren, da fast jede metabolische Aktivität mit Sauerstoffverbrauch gekoppelt ist.
Die Online-Messung der OTR in gerührten Bioreaktoren gehört zum Stand der Technik, ist aber technisch relativ aufwendig. Dagegen war die Ermittlung der OTR in geschüttelten
Bioreaktoren (Schüttelkolben) unter steriltechnischen Bedingungen bisher nicht möglich. RAMOS^® füllt diese Lücke und verbindet damit die Vorteile des Schüttelkolbens (geringer Platzbedarf, kostengünstig, parallelisierbar etc.) mit denen des gerührten Bioreaktors (Online-Messtechnik).

Messung der Kohlendioxidtransferrate

Neben der OTR sind die Kohlendioxidtransferrate (CTR) und der Respirationsquotient (RQ) wichtige Informationsquellen für Mikrobiologen und Zellbiologen. Der CTR (im Falle von RAMOS^® die „Gasentwicklungsrate“) ermöglicht in vielen Fällen auch den Einsatz von RAMOS^® für anaerobe und mikroaerophile Organismen.
Anhand des RQ lässt sich unter anderem erkennen, welche Art von Nährstoffquelle von den Mikroorganismen assimiliert wird, zum Beispiel

RQ(Glukose) = 1
RQ(Triglyceride/Fette) = 0,65

Das RAMOS^®-Schüttelkolbensystem wurde in Kooperation mit dem Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik der RWTH Aachen entwickelt. Die Forderung nach äquivalenten Kultivierungsbedingungen für die Mikroorganismen in normalen Schüttel- und in RAMOS^®-Messkolben stand bei der Entwicklung der Anlage an erster Stelle. Aus diesem Grund wurde der Messkolben so gestaltet, dass er im unteren flüssigkeitsgefüllten Teil gas- und hydrodynamisch einem normalenSchüttelkolben entspricht.

Weiterhin wurde eine Methode entwickelt, die es ermöglicht, allein aus der Änderung des Sauerstoffpartialdrucks im Gasraum des Messkolbens (keine invasiven Elektroden) die Sauerstofftransferrate zu bestimmen. Das System ist patentrechtlich geschützt.

Zur Sicherstellung äquivalenter Kultivierungsbedingungen wird die Gaszusammensetzung oberhalb der Kulturflüssigkeit in den Kolben der Messanlage identisch zu der eines normalen Kolbens eingestellt.

Das Handling des Systems ist einfach und schnell zu erlernen. Sie werden sich, wie zahlreiche Anwender vor Ihnen, nach kurzer Zeit eine Arbeit ohne RAMOS^® nicht mehr vorstellen können.
Das RAMOS^®-System passt auf einen normalen Labortisch. Es wird komplett montiert mit Schüttler, Inkubator, Steuer-PC, USV und Software geliefert.

Mit RAMOS^® wurden u. A. folgende Organismen erfolgreich untersucht

Bacillus sp.
Botrytis cinerea
Catharanthus roseus
CHO Zellen
Corynebacterium glutamicum
Escherichia coli
Nicotiana tabacum
Pichia pastoris
Pichia stipitis
Pseudoalteromonas haloplanctis
Pseudomonas fluorescens

Pseudomonas putida
Saccharomyces cerevisiae
Hybridoma Zellen
Streptomyces lividans
Vibrio natregiens
Xanthomonas campestris
Arthrospira platensis
Wolffia australiana
Gluconobacter oxydans
Hansenula polymorpha

Abmessungen Inkubator (T x B x H)	750 x 690 x 490 mm
Gewicht	ca. 66 kg (Gerät ohne Kühlung)
Größe des Tablars (B x T)	420 x 420 mm
Messkolben-Standardformate	8 Messkolben (250 ml), Halterung für 6 zusätzliche normale Schüttelkolben (250 ml) für Probennahme (Schlachtkolben) oder 8 Schüttelkolben (500 ml)
Elektrische Anschlüsse	230 V AC, 3 A, andere Spannungen auf Anfrage
Gasanschlüsse	Keine, Ansaugung von Umgebungsluft, opt. vorgeschalteter Gasmischer
Auflösung	Sauerstofftransferrate ≤ 0,001 mol/l/h (20 ml Kulturvolumen, 10 min. Messzeit), bessere Auflösung bei größerem Volumen und längerer Messzeit Fehler OTR < 5 %
Temperierung	Für Temperaturen unter +30 °C (opt.) ist Wasserkühlung erforderlich, unter +20 °C wird ein Kühlaggregat benötigt
Temperaturbereich	Ohne Kühlung RT +30 °C bis +50 °C, mit Wasserkühlung RT -5 °C bis +50 °C a.A. +4 bis +50 °C
Unsicherheit T-Regelung	± 0,2 °C

Produktcode	Beschreibung
VA-RAMOSOTR	RAMOS^®-System für OTR-Messung mit 8 Messkolben, ohne Inkubator-Schüttler und Steuer-PC
VA-RAMOSINKSHA	RAMOS^®-Inkubator-Schüttler, bis 300 U/min
CG-RAMOSABK	ABK zur Steuerung eines RAMOS^®-Systems (Ausstattung vgl. CG-ABK2)
VA-RAMOSRPM	Erhöhung der Schüttlerdrehzahl bis max. 400 U/min einschl. Auswuchtung
VA-RAMOSCTR	RAMOS^®-Systemerweiterung CTR/RQ-Messung für 8 Messkolben
VA-RAMOSTKSE	RAMOS^®-Kühler, Pmax = 1 bar, Tmin Kühlmedium = 2 °C (1, 2)
VA-RAMOSTKSDM	Druckminderer für RAMOS^®-Kühler bis 5 °C unter Umgebungstemperatur (mit Kühlwasser 1…5 bar)
VA-RAMOSTKSKA	Kühlaggregat für RAMOS^®-Kühler bis 10 °C unter Umgebungstemperatur (2)
VA-RAMOST500	Modifiziertes Tablar für 8 x 500 ml Messkolben
VA-RAMOSMK250	RAMOS^®-Ersatz-Messkolben 250 ml (ohne Fittings und Filter)
VA-RAMOSMKX	RAMOS^®-Messkolben, kundenspezifische Anfertigung
VA-RAMOSFI1	Ersatz-Sterilmembranfilter für die O2 Sensoren, 8 Stück
VA-RAMOSMTP4	Erweiterung für Mikrotiterplatten, Spezialtablar mit 4 Messkammern

Anmerkung: Der Kühler VA-RAMOSTKSE kann wie folgt verwendet werden:
1. Zur Kompensation einer erhöhten Labortemperatur, die weniger als 5 Grad unter der benötigten Inkubatortemperatur liegt. Hier genügt die Verwendung von Leitungs- bzw. Kühlwasser als Kühlmedium in Verbindung mit dem Druckminderer VA-RAMOSTKSDM. Soll das System unabhängig von der Wasserversorgung arbeiten, wird ein Kühlthermostat
VA-RAMOSTKSKA benötigt.
2. Zur Realisierung von Inkubatortemperaturen, die bis zu 10 Grad unter der Labortemperatur liegen, wird ein Kühlthermostat benötigt.