Marco Jenzsch

Advanced Monitoring & Control in Microbial Cultivation Processes for Recombinant Protein Production

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades Doktor-Ingenieur (Dr.-Ing.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 13.07.2006

Abstract
Verglichen mit dem rasanten Fortschreiten in den molekularbiologischen Wissenschaften während der letzten Jahrzehnte, konnten die Entwicklungen, der in der industriellen Praxis verwendeten Fermentations- und Downstream-Techniken, bei weitem nicht mithalten. Daraus ergibt sich ein Ungleichgewicht zwischen neuen biologischen Systemen und den industriellen Produktionstechnologien, was zu einer fortwährenden Abnahme der jährlichen Neuanmeldungen von Produktionsprozessen für Biologics führt. In ihrer PAT-Initiative (PAT = Process Analytical Technology) benennt die für die Zulassung von Pharmaprodukten zuständige US-amerikanische Aufsichtsbehörde FDA die Problempunkte, welche verbessert werden müssen, und fordert die Hersteller gleichzeitig auf in wissenschaftlich basierte Ansätze zur Problemlösung zu investieren. Diese Doktorarbeit zeigt am Beispiel der rekombinanten Proteinproduktion mit Escherichia coli - Bakterien verschiedene bioverfahrenstechnische Ansätze, wie diesen Forderungen nachgekommen werden kann. Konkret werden robuste Prozessführungsstrategien vorgestellt, die, mit entsprechenden Überwachungs- und Regelungsalgorithmen ausgestattet, reproduzierbare Prozessverläufe garantieren und damit die Gesamtqualität des Produktionsverfahrens signifikant steigern.

Compared to the immense achievements in fundamental molecular biological sciences, the improvements in the fermentation and downstream processing technologies used in industry have been less spectacular over the last decade. Hence, there is a misbalance between new cellular systems and production technologies, resulting in a decreasing annual rate of approvals for protein manufacturing processes. In its process analytical technology (PAT) initiative, the U.S. Food and Drug Administration identified the issues that must be improved to compensate for this development and forces manufactures towards a more scientific approach of solving the problems. In this doctoral dissertation, methods of bioprocess engineering science have been used to meet the demands. Recombinant protein production processes, where Escherichia coli were used as host cells, are taken as a concrete example. Concretely, a design strategy for improved robust process operational procedures was developed that can be tightly supervised and automatically controlled.

Keywords:
Bioprozesstechnik, Fermentation, rekombinante Proteine, Überwachung, Regelung, PAT, robuste Prozessführung, Reproduzierbarkeit

Bioprocess engineering, fermentation, recombinant proteins, monitoring, control, PAT, robust process design, reproducibility

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Inhaltsverzeichnis
Front page, Contents
1 Introduction (1-15)
2 Open Loop Control of the Biomass Concentration within the Growth Phase of Recombinant Protein Production Processes (16-35)
3 Estimation of Biomass Concentrations in Fermentation Processes for Recombinant Protein Production (36-50)
4 Generic Model Control of the Specific Growth Rate in Recombinant Escherichia coli Cultivations (51-68)
5 Application of Model Predictive Control to Cultivation Processes for Protein Production with Genetically Modified Bacteria (69-80)
6 Improving the Batch-to-Batch Reproducibility in Microbial Cultures During Recombinant Protein Production by Guiding the Process Along a Predefined Total Biomass Profile (81-93)
7 Improving the Batch-to-Batch Reproducibility of Microbial Cultures During Recombinant Protein Production by Regulation of the Total Carbon Dioxide Production (94-112)
Summary (113-114)
Zusammenfassung (115-116)
Publications List (117-119)