University of Oulu

Innovative microbioreactors and microfluidic integrated biosensors for biopharmaceutical process control

Saved in:
Author: Panjan, Peter1,2
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Medicine
Format: ebook
Version: published version
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526218199
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2018
Publish Date: 2018-03-12
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Training Committee of Health and Biosciences of the University of Oulu for public defence in the Kouta Auditorium of the Kainuu Music Institute (Koskikatu 2, 87200 Kajaani), on 22 March 2018, at 12 noon
Tutor: Doctor Adama Marie Sesay
Professor Vesa Virtanen
Professor Timo Jämsä
Reviewer: Associate Professor Laura Micheli
Doctor Juan Bolivar
Opponent: Professor David C. Cullen
Description:

Abstract

Biopharmaceuticals are growing in medical and economical significance, replacing several chemically synthesized pharmaceuticals and providing new treatments for serious diseases. Research within the biopharmaceutical field is expensive and labor intensive with the majority of work featuring diverse bioprocesses. Miniaturization of bioprocesses into microbioreactors, miniaturized bioprocess vessels for diverse experiments, reduces the amount of necessary reagents as well as time and labor due to the possibility of multiplexation. A crucial step of research is analytics, commonly performed by expensive and time consuming standard laboratory based analytical tools that require larger sample volumes that then microbioreactors can provide. Biosensors are analytical devices that can provide highly sensitive and selective online detection (in situ) and lend themselves to miniaturization. Biosensors detecting glucose, lactate, pyruvate and galactose were developed and investigated herein. 3D printing and laser ablation were used as fabrication techniques, enabling development of unit operations (mixing and pumping) necessary for biosensor integration into microbioreactors. A 3D printed microbioreactor was developed with integrated glucose and optical density sensors for the cultivation of yeast where the biosensor was found to provide critical online data of glucose concentration, thus enabling bioprocess control. Additionally, molecularly imprinted polymers were investigated as novel recognition components due to their increased stability compared to biological molecules within bioprocess environments. A molecular imprinted polymer for folic acid was developed and tested as a sorbent in a microfluidic solid phase extraction system for detection.

see all

Tiivistelmä

Biofarmaseuttisten valmisteiden lääketieteellinen ja taloudellinen merkitys kasvaa. Ne korvaavat kemiallisesti valmistettuja yhdisteitä ja tarjoavat uusia hoitoja vakaviin sairauksiin. Biofarmaseuttinen tutkimus on kallista ja vaatii paljon työtä erityisesti bioprosessien kehittämisen osalta. Bioprosessien miniatyrisointi mikrobioreaktoreita käyttäen vähentää tutkimuksessa tarvittavaa reagenssien kulutusta, aikaa ja työmäärää, koska mikrobioreaktoreiden avulla voidaan tehdä useita rinnakkaisia kokeita samanaikaisesti. Keskeinen osa bioprosessien tutkimusta on niiden seuraamiseen tarvittava analytiikka. Yleensä seuranta tehdään kalliilla ja aikaa vievillä analyyttisen kemian menetelmillä, jotka vaativat suurempia näytetilavuuksia kuin mikrobioreaktoreista saadaan. Biosensorit ovat erittäin herkkiä ja mittauskohteen tarkasti tunnistavia analytiikkavälineitä, joilla voidaan saada on-line mittaustietoa suoraan mittauskohteessa. Ne pystytään myös miniatyrisoimaan. Tässä tutkimuksessa kehitettiin aluksi glukoosin, laktaatin, pyruvaatin ja galaktoosin biosensorimittaukset. Sensorilaitteiden valmistus-tekniikkoina käytettiin 3D-tulostusta ja laserleikkausta. Näin pystyttiin kehittämään yksiköt myös näytteen sekoittamiseen ja pumppaamiseen. Lopuksi hiivasolujen kasvatusta varten valmistettiin 3D-tulostettu mikrobioreaktori, johon yhdistettiin glukoosisensori ja optisen tiheyden mittaus. Glukoosin mittaus tuotti on-line -tietoa glukoosin pitoisuudesta, mikä on erittäin tärkeää prosessin valvonnalle ja ohjaukselle. Lisäksi tutkittiin molekyylipainettujen polymeerien käyttöä mitattavia analyyttejä tunnistavina yhdisteinä. Perinteisiä sensoreissa käytettäviä biomolekyylejä kestävimpinä yhdisteinä ne voisivat soveltua etenkin bioprosessien jatkuvaan seuraamiseen. Tutkimuksessa kehitettiin myös foolihapon tunnistava molekyylipainettu polymeeri, jota käytettiin kiinteän faasin sitoja-aineena mikrofluidisessa detektio- ja uuttojärjestelmässä.

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. D, Medica
ISSN: 0355-3221
ISSN-E: 1796-2234
ISSN-L: 0355-3221
ISBN: 978-952-62-1819-9
ISBN Print: 978-952-62-1818-2
Issue: 1453
Subjects:
Copyright information: © University of Oulu, 2018. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.