Populationsheterogenität ist ein in industriellen Bioprozessen häufig auftretendes Phänomen, das durch das ungleiche Verhalten von Zellen einer isogenen Kultur gekennzeichnet ist. Produktionsprozesse in industriellen Bioreaktoren sind oft mit einer verringerten Durchmischung verbunden, wodurch sich Gradienten im Bioreaktor ausbilden. Dadurch werden die Zellen, abhängig von ihrer Position im Bioreaktor, wechselnden Mikroumgebungen ausgesetzt und reagieren entsprechend darauf. Als Konsequenz bildet sich eine heterogene Zellpopulation im Bioreaktor aus. Oft geht dies mit einer verschlechterten Produktausbeute und vermehrter Nebenproduktbildung einher.

Ziele dieses Forschungsprojekts sind Veränderungen in der Prozessleistung bei der L-Phenylalanin-Herstellung mit rekombinanten Escherichia coli im Zulaufverfahren, die durch Populationsheterogenität verursacht werden, zu charakterisieren und zu kontrollieren. Um die Gradienten, die in großtechnischen Bioreaktoren auftreten, im Labormaßstab physikalisch zu simulieren, wird ein Zwei-Kompartiment-Bioreaktor verwendet, der aus einem homogen durchmischten Rührkesselreaktor und einem Rohrreaktor im Bypass besteht, wobei der Rohrreaktor als gewickelter Fluss-Inverter ausgeführt ist.

Die Ausbildung von Subpopulationen wird in vivo mithilfe von L-Phenylalanin produzierenden Escherichia coli Mehrfach-Reporterstämmen erfasst. Hierfür wurde in Vorarbeiten die Expression verschiedener Fluoreszenzproteine an zelluläre Eigenschaften gekoppelt, um zellspezifische Charakteristika wie die Wachstumsrate, die generelle Stressantwort, die Sauerstoffverfügbarkeit sowie die Produktbildung auf Einzelzellebene verfolgen zu können. Zur Messung dieser zellspezifischen Charakteristika im Bioprozess wird ein automatisiertes Echtzeit-Durchflusszytometer eingesetzt, um die Eigenschaftsverteilungen in den Zellpopulation im Zwei-Kompartiment-Bioreaktor möglichst lückenlos abbilden und so geeignete Prozessanpassungen in Echtzeit ermöglichen zu können.