Biocatalytic process engineering with the use of 3D printing technology
Μηχανική βιοκαταλυτικών διεργασιών με τη χρήση της τεχνολογίας τρισδιάστατης εκτύπωσης
Διπλωματική εργασία
Συγγραφέας
Κουλοπούλου, Θεοφιλία
Ημερομηνία
2024-10-10Επιβλέπων
Pantatosaki, EvangeliaΛέξεις-κλειδιά
3D Printing ; Microfluidics ; Enzyme immobilization ; Flow biocatalysisΠερίληψη
This diploma thesis investigates the integration of 3D printing technology with
biocatalysis to develop advanced microfluidic systems for enzyme immobilization
and activity assessment. Research and experimental work were conducted at the
Institute of Technical Chemistry, Leibniz University Hannover, Germany, in the
Biocatalysis and Bioprocessing research group. This study explores the design and
construction of microfluidic reactors using cutting-edge 3D printing techniques in
order to optimize enzymatic processes. Our goal is to improve the stability and
effectiveness of enzyme immobilization by incorporating surface chemistry
techniques like glutaraldehyde cross-linking and coatings with polydopamine and
polyethyleneimine. The primary objectives include the development of microfluidic
systems for selective enzyme immobilization, assessment of biocatalytic performance
under continuous flow conditions, and identification of optimal materials and 3D
printing methodologies. Utilizing Fused Deposition Modeling and Stereolithography
printing technologies in conjunction with enzyme expression and immobilization
techniques, precise microfluidic devices are created for effective enzymatic reactions.
These prototypes serve as effective screening platforms and can be parallelized to
enhance production capacity, which will help with sustainable chemistry and
biotechnology applications. As an example of how different 3D printing materials can
be used for biotechnological applications like enzyme immobilization, this work
emphasizes on how important microfluidic chip-based assays are for effective and
quick screening because of their low reagent amounts, affordability, and rapid
throughput. In particular, unspecific peroxygenase from Agrocybe aegerita (AaeUPO)
was successfully immobilized on surface functionalized 3D-printed microfluidic chips
made of different materials, as confirmed by a model activity assay. This was the first
time that 3D-printed microchips were used for AaeUPO immobilization, and the
enzyme demonstrated high immobilization and activity yields across various materials
and geometries, highlighting the potential for development of a universal
immobilization approach.
Περίληψη
Στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας διερευνάται ο συνδυασμός της
τεχνολογίας τρισδιάστατης εκτύπωσης με τη βιοκατάλυση ροής για την ανάπτυξη
προηγμένων μικρορευστομηχανικών συστημάτων για την ακινητοποίηση ενζύμων
και την αξιολόγηση της δραστικότητάς τους. Η έρευνα και τα πειράματα
εκπονήθηκαν στο Ινστιτούτο Τεχνολογικής Χημείας του Πανεπιστημίου Leibniz, στο
Αννόβερο της Γερμανίας, στην ερευνητική ομάδα Βιοκατάλυσης και
Βιοεπεξεργασίας. Η συγκεκριμένη μελέτη πραγματεύεται τον σχεδιασμό και την
κατασκευή μικρορευστονικών αντιδραστήρων με τη χρήση τεχνικών τρισδιάστατης
εκτύπωσης για τη βελτιστοποίηση ενζυμικών διεργασιών. Ο τελικός στόχος είναι η
βελτίωση της σταθερότητας και της αποτελεσματικότητας της ακινητοποίησης των
ενζύμων με την ενσωμάτωση τεχνικών επιφανειακής χημείας για την τροποποίηση
επιφανειών, όπως η διασταύρωση με γλουταραλδεΰδη και οι επικαλύψεις με
πολυντοπαμίνη και πολυαιθυλενιμίνη. Οι πρωταρχικοί στόχοι περιλαμβάνουν την
ανάπτυξη μικρορευστονικών συστημάτων για την επιλεκτική ακινητοποίηση
ενζύμων, την αξιολόγηση της βιοκαταλυτικής απόδοσης σε συνθήκες συνεχούς ροής
και τον προσδιορισμό των βέλτιστων υλικών και μεθοδολογιών τρισδιάστατης
εκτύπωσης. Χρησιμοποιώντας μεθόδους τρισδιάστατης εκτύπωσης, όπως η
Μοντελοποίηση Συντηγμένης Εναπόθεσης (Fused Deposition Modeling) και η
Στερεολιθογραφία (Stereolithography), σε συνδυασμό με εξελιγμένες τεχνικές
έκφρασης και ακινητοποίησης ενζύμων, δημιουργήθηκαν ακριβείς μικρορευστονικές
συσκευές με ενζυμική δράση. Αυτά τα πρωτότυπα χρησιμεύουν ως πλατφόρμες
ταυτόχρονης εξέτασης πολλαπλών δειγμάτων, ενώ μπορούν να χρησιμοποιηθούν εν
παραλλήλω για αυξημένη παραγωγική ικανότητα. Τέτοιου είδους συστήματα
συναντώνται σε εφαρμογές βιώσιμης χημείας και βιοτεχνολογίας. Πιο συγκεκριμένα,
η παρούσα εργασία αναδεικνύει τον τρόπο με τον οποίο μπορούν να
χρησιμοποιηθούν διαφορετικά υλικά τρισδιάστατης εκτύπωσης για βιοτεχνολογικές
εφαρμογές όπως η βιοκατάλυση μέσω ακινητοποίησης ενζύμων. Οι βιοκαταλυτικές
διεργασίες σε μικρορευστονικά τσιπ παρέχουν τα πλεονεκτήματα του
αποτελεσματικού και γρήγορου ελέγχου των χαμηλών ποσοτήτων αντιδραστηρίων,
της προσιτής τιμής και της γρήγορης απόδοσης. Στην παρούσα μελέτη, το ένζυμο μη
ειδική
υπεροξυγενάση του οργανισμού Agrocybe aegerita (AaeUPO)
ακινητοποιήθηκε με επιτυχία στην επιφάνεια λειτουργικών τρισδιάστατων
εκτυπωμένων μικροτσίπ από διαφορετικά υλικά. Πραγματοποιήθηκε μια σειρά
πειραμάτων λειτουργικότητας και σταθερότητας του ακινητοποιημένου ενζύμου με
τη χρήση συστημάτων συνεχούς ροής. Εν κατακλείδι, αυτή ήταν η πρώτη φορά που
χρησιμοποιήθηκαν τρισδιάστατα εκτυπωμένα μικροτσίπ για την ακινητοποίηση της
AaeUPO και το ένζυμο επέδειξε υψηλές αποδόσεις ακινητοποίησης και
δραστικότητας σε διάφορα υλικά και γεωμετρίες, αναδεικνύοντας τη δυνατότητα
ανάπτυξης μιας ολιστικής προσέγγισης ακινητοποίησης.