Dans ce mémoire nous discutons le développement de l’électrode de travail d’un bioréacteur électrochimique, dispositif permettant de synthétiser suivant un procédé dit de « Chimie Verte » des substances chimiques à haute valeur ajoutée. L’électrode de travail étant le siège de la synthèse électrocatalytique en jeu, l’optimisation de sa structure a été étudiée dans le but de maximiser l’aire de sa surface active. L’élaboration d’électrodes macroporeuses hautement organisées et de taille définie par les dimensions du prototype du réacteur pilote, a pu être obtenue en utilisant la méthode de Langmuir-Blodgett pour assembler le cristal colloïdal servant de template. La formation de ce dépôt organisé de colloïdes est suivie de l’électrodéposition du matériau d’électrode puis de la dissolution du template afin de révéler la structure macroporeuse. L’immobilisation de l’intégralité du matériel bio-électrocatalytique à l’intérieur des pores a été investiguée dans le but de prévenir la pollution du milieu contenant le produit final d’électrosynthèse par un des constituants redox et d’augmenter la durée de vie du dispositif. Ainsi, des couches ultra-minces de silice électrogénérée et des matrices de polymère électrodéposé ont été étudiées dans le but de préserver et d’optimiser l’activité enzymatique du système qu’elles encapsulent. Une attention particulière a été portée sur la qualité des dépôts au sein des structures poreuses. La procédure d’immobilisation des protéines rédox dans les matrices de silice et de polymère a été en outre associée à un jeu de construction moléculaire qui a permis par l’instauration de diverses interactions électrostatiques, de retenir toutes les espèces responsables de la catalyse à la surface de l’électrode. Enfin, dans le but d’intensifier les réactions catalytiques responsables de la synthèse à réaliser, des nano-particules d’ormodifiées par une couche monomoléculaire d’un médiateur redox ont été incorporées aux différents matériaux d’immobilisation permettant de ce fait d’augmenter les interfaces d’échanges électrochimiques entre matériau conducteur et biomolécules. L’insertion de ces nano-objectscombinée à la nanostructuration du matériau d’électrode a permis de multiplier par plus de 170 fois l’intensité des réactions enregistrées. / The present work deals with the development of the working electrode of an electrochemicalbioreactor. This device enables the green synthesis of high added value chemical compounds. As theelectrochemical synthesis is located at the interface of the working electrode, structural optimizationof this reactor key component is required in order to maximize the available active surface area.Elaboration of highly organized macroporous gold electrodes with a size required by the pilot reactordimensions were obtained with the Langmuir-Blodgett method that was used to assemble a colloidalcrystal as a template. The elaboration of the organized colloidal deposit is first followed by theelectrodeposition of the electrode material, then by the dissolution of the template. The immobilization of the complete bio-electrochemical system inside the electrode pores was investigated in order to prevent pollution of the final product medium by one of the catalytic chaincomponent. This also improves the device life time. Subsequently electrogenerated ultra-thin silicalayers and electrodeposited polymer matrices were studied in order to preserve and optimize the catalytic activity of the redox proteins. In order to enhance the electrocatalytic synthesis, mediatormodified gold nanoparticules were incorporated in the different immobilization matrices. This allowed to increase the area of the electrochemical interface. The combination of the nano-objectincorporation and electrode nano-structuring intensified by a factor of 170 the catalytic process. / Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung einer Arbeitselektrode für einenelektrochemischen Bioreaktor, der die umweltfreundliche Synthese von wertvollen chemischenKomponenten ermöglicht. Da die elektrochemische Synthese an der Oberfläche der Arbeitselektrodestattfindet, ist es nötig, den strukturellen Aufbau der Schlüsselkomponente des Reaktors zuoptimieren und die aktive Oberfläche der Elektrode zu erhöhen. Mit Hilfe der Langmuir-BlodgettTechnik wurden kolloidale Kristalle erzeugt, die als Template dienten, um hochgeordnetemakroporöse Goldelektroden, deren Dimensionen von dem Pilotreaktor bestimmt wurden,herzustellen. Nach dem Erzeugen von geordneten kolloidalen Filmen wurde der Zwischenraumzwischen den Partikeln mittels elektrochemischer Abscheidung gefüllt und das Templateanschließend chemisch aufgelöst. In der Folge wurde die Immobilisierung des komplettenbioelektrochemischen Systems im Poreninnenraum untersucht, mit dem Ziel eine Verunreinigung desReaktionsmediums durch eine der katalytischen Komponenten zu verhindern. Die Lebensdauer derElektrode kann so zusätzlich erhöht werden. Es wurde untersucht, inwieweit durch elektrogenerierteultra-dünne Silikaschichten oder durch Elektroabscheidung erzeugte Polymerfilme die katalytischeAktivität der Redoxproteine erhalten und weiter optimiert werden kann. Goldnanopartikel, die miteinem Mediator modifiziert wurden, wurden in die jeweilige Immobilisationsschicht integriert, mitdem Ziel die Effizienz der elektrokatalytischen Synthese zu erhöhen. Auf diese Weise konnte dieaktive elektrochemische Oberfläche der Elektrode weiter erhöht werden. Die Kombination aus einernanostrukturierten Elektrode und Nanoobjekten die in die Immobilisationsschicht eingebettetwurden, führte zu einer Signalerhöhung des katalytischen Prozesses um mehr als eineGrössenordnung.

Úprava biomasy je jedním z nejdůležitějších problémů v moderních přírodních vědách, protože je základní kategorií týkající se zemědělství, potravinářství, ekologie, zpracování odpadu a biotechnologie. Ať už živočišného, rostlinného nebo mikrobiálního původu, biomasa představuje obrovský zdroj surovin jako potravin, čistých chemikálií, bioaktivních molekul atd., jejichž izolace, charakterizace a formulace může vést k zajímavým novým produktům určeným pro lidskou spotřebu, nebo jako nový materiál v biomedicíně. Předložená studie byla zaměřena na výzkum dvou druhů biomasy - kuřecí kůže jako zdroje kolagenu t a biomasy mikrořasy Chlorella sorokiniana obohacené selenomethioninem (SeMet). V první části práce byl z kuřecí kůže izolován, identifikován a charakterizován kolagen typu I. Molekulární vlastnosti kuřecího kolagenu byly analyzovány a srovnány s jinými kolageny z živočišných kůží. Pro molekulární charakterizaci kolagenu byla použita viskosimetrie a ultrazvuková spektroskopie. Ultrazvukovou spektroskopií bylo zjištěno, že disagregace a zkapalňování hovězího kolagenu začíná při teplotě 40 °C, zatímco u kuřecího kolagenu začíná až při 50 °C. Viskosimetrie dále potvrdila vyšší tepelnou stabilitu kolagenu z kuřecí kůže, jeho denaturační teplota byla 50 °C, což je rovněž o deset stupňů více než u hovězího kolagenu. Kuřecí kolagen obsahuje dvakrát vyšší množství lysinu, což poskytuje tepelnou stabilitu kolagenu. Na základě získaných výsledků lze říci, že vzhledem ke své vysoké tepelné stabilitě a vhodnému aminokyselinovému složení, kuřecí kůže může být použita jako alternativní zdroj kolagenu typu I s aplikacemi v potravinářském průmyslu a biomedicíně. Druhá část práce byla zaměřena na obohacení biomasy zelené mikrořasy C. sorokiniana selenomethioninem. Experimentální část byla provedena v Laboratoři biotechnologie řas na Univerzitě Huelva ve Španělsku. Cílem první části experimentů bylo studovat vliv selenu na životaschopnost řas, morfologii buněk a akumulaci SeMet v biomase mikrořasy kultivované v dávkových kulturách. Subletální koncentrace Se v živném médiu, 40 mgL-1 (212 M), snížila rychlost růstu o 25 % ve srovnání s kontrolní kulturou. Hodnota EC50 45 mgL-1 (238,2 M) byla stanovena pro selenan. Ultrastrukturální studie ukazovaly na strukturální změny chloroplastu (granulární stroma, redukce thylakoid). Elektroforéza proteinů z biomasy mikrořasy ukazuje, že Se ovlivňuje expresi genu enzymu Rubisco. C. sorokiniana byla schopna akumulovat až 140 mgkg-1 SeMet během 120 h kultivace. Další část experimentální práce byla zaměřena na obohacování biomasy mikrořasy C. sorokiniana selenomethioninem během kontinuální kultivace s použitím 2,2 L bioreaktoru v kultivačním médiu s přídavkem koncentrace selenu v rozmezí od 5 do 50 mgL-1. C. sorokiniana rostla stejně ve všech testovaných koncentracích selenu kromě koncentrace 50 mgL1, která byla již po krátké době kultivace letální. Během kontinuální kultivace se 40 mgL-1 selenu, bylo získáno maximálně 246 gL-1 selenomethioninu denně. Výsledky ukazují, že kultivace v dávkových kulturách a dlouhodobá kontinuální kultivace mikrořasy C. sorokiniana pro získaní biomasy obohacené SeMet je možná pečlivým výběrem podmínek kultivace a subletálních koncentrací selenu v živném médiu.

Ligninolytic fungi are well known for their ability to degrade a wide range of xenobiotics contaminating the environment, including synthetic industrial dyes. In this work Pleurotus ostreatus was used for decolorization of a synthetic textile dye Remazol Brilliant Blue R (RBBR). To set up a model fungal "fixed-bed" bioreactor the fungus was immobilized on a polyurethane foam and artificially contaminated with a model bacterium Rhodococcus erythropolis. The development of bacterial contamination can be expected during a real application of fungal bio filters in wastewater treatment. The main aim of the work was to study interspecies interactions in the model bioreactors during the dye decolorization. Ligninolytic enzyme activities were followed in the bioreactor cultures as markers of fungal biodegradation ability. In contrast to the controls, no bacterial growth was observed in the P. ostreatus bioreactor culture liquid. The results showed that fungal laccase, pH of the culture liquid, and glucose consumption by the fungus had no effect on the bacterial growth. However, 4*105 - 1,3*106 CFU/ml of R. erythropolis was detected to be associated with the fungal solid support. The presence of these bacteria had no effect on the decolorization performance of the bioreactors. Dye decolorization efficiency...

Polyhydroxyalkanoates (PHAs) are a group of bioplastics, which are produced through microorganisms. They are accumulated in granules inside bacteria’s cell cytoplasm and serve as an energy reserve. Moreover, PHAs are completely biodegradable and biocompatible biopolyesters, which make them to suitable materials for medical applications and replace conventional petrochemical plastics. However, it is not economically feasible to produce PHAs yet, as it is four to nine times as expensive as to produce fossil fuel-based plastics. In order to reduce the price, it is possible to use waste streams rich in carbon and mixed cultures as microorganisms, which was applied in this thesis work. In this study, PHAs were synthesized from a volatile fatty acid (VFA) mixture rich in hexanoic acid, which was produced by anaerobic digestion of waste streams. To be able to obtain the maximum PHA content, the experimental work was separated into a selection phase and a production phase respectively. During the selection step, enrichment of the mixed culture took place during 50 days altering feast/famine cycles. The production phase was then conducted in a fed-batch cultivation to accumulate as much PHAs as possible, while utilizing the enriched mixed culture.  The selection phase was seen as successful since the quantity of synthesized PHA increased with time. Solely polyhydroxybutyrate (PHB) was formed during this period. The specific consumption rates for the hexanoic acid and acetic acid were almost the same in this phase (0.10 g hexanoic acid/(g volatile suspended soilds (VSS),h) and 0.11 g acetic acid/(g VSS,h)), which suggests that the consumption of these majoritarian fatty acids was simultaneous. However, the determined consumption rate for butyric acid was approximately solely half of the values for hexanoic acid and acetic acid. The highest PHA yield obtained in the enrichment phase was 0.26 g PHB/g VFA.  In the production phase, the highest achieved PHA content was 31.4 % of VSS, which was obtained after five hours. Both PHB and polyhydroxyvalerate (PHV) were formed in this phase, even though the quantity of accumulated PHB dominated with its approximately 97 weight-%. / Polyhydroxialkanoater (PHA:er) är en grupp bioplaster som produceras med hjälp av mikroorganismer. De ackumuleras inuti granulater som finns i bakteriers cellcytoplasma, och används som en energireserv. PHA:er är dessutom fullständigt bionedbrytbara och biokompatibla biopolyestrar, vilket gör dem till lämpliga material att applicera inom medicinska preparat och för att ersätta konventionella petrokemiska plaster. Det är däremot inte ekonomiskt fördelaktigt att producera PHA:er än så länge, då det är fyra till nio gånger dyrare att producera än i jämförelse med att producera plaster från fossila bränslen. Ett tillvägagångssätt för att reducera priset är genom att applicera kolrikt avfall som råmaterial och en blandad kultur av mikroorganismer. Det var detta som tillämpades i detta examensarbete vid PHA produktionen. I denna studie syntetiserades PHA:er från en blandning av flyktiga fettsyror rik på hexansyra, som framställts av avfall genom anaerobisk digestion. Det experimentella arbetet delades in i två faser: en selektionsfas och en produktionsfas. Detta för att kunna erhålla högsta möjliga PHA innehåll. Den blandade kulturen av bakterier berikades under selektionsfasen genom applicering av alternerande svält/frossa cykler i 50 dagar. Produktionsfasen utfördes därefter i en så kallad ”fed-batch odling” för att ackumulera högsta möjliga kvantitet av PHA, med hjälp av den berikade kultur blandningen.  Selektionsfasen ansåg vara lyckad, då mängden ackumulerad PHA ökade med tiden. Endast polyhydroxibutyrat (PHB) producerades under berikelsefasen. De erhållna specifika konsumptionshastigheterna för hexansyra och ättiksyra var i samma storleksordning (0.10 g/(g flyktiga suspenderade ämnen, h) respektive 0.11 g/(g flyktiga suspenderade ämnen, h)), vilket tyder på att förbrukningen av dessa fettsyror skedde samtidigt. Konsumptionshastigheten för butansyra var däremot endast cirka hälften av hastigheterna för hexansyra samt ättiksyra. Det högsta PHA-utbytet beräknades till 0.26 g PHB/g flyktiga fettsyror. Det högsta PHA-innehållet som erhölls i produktionsfasen var 31.4 % av de flyktiga suspenderade ämnena, vilket uppmättes efter fem timmar. Både PHB och polyhydroxivalerat (PHV) bildades under denna fas, även om mängden ackumulerad PHB dominerade med 97 vikt-%. / <p>I och med COVID-19 presenterades examensarbetet via zoom</p> / Carbon Neutral Next Generation Wastewater Treatment Plants

In the fields of process control engineering and robotics, especially in automatic control, optimization challenges frequently manifest as complex problems with expensive evaluations. This thesis zeroes in on one such problem: the optimization of camera positions for Convolutional Neural Networks (CNNs). CNNs have specific attention points in images that are often not intuitive to human perception, making camera placement critical for performance. The research is guided by two primary questions. The first investigates the role of Explainable Artificial Intelligence (XAI), specifically GradCAM++ visual explanations, in Computer Vision for aiding in the evaluation of different camera positions. Building on this, the second question assesses a novel algorithm that leverages these XAI features against traditional black-box optimization methods. To answer these questions, the study employs a robotic auto-positioning system for data collection, CNN model training, and performance evaluation. A case study focused on classifying flow regimes in industrial-grade bioreactors validates the method. The proposed approach shows improvements over established techniques like Grid Search, Random Search, Bayesian optimization, and Simulated Annealing. Future work will focus on gathering more data and including noise for generalized conclusions.:Contents 1 Introduction 1.1 Motivation 1.2 Problem Analysis 1.3 Research Question 1.4 Structure of the Thesis 2 State of the Art 2.1 Literature Research Methodology 2.1.1 Search Strategy 2.1.2 Inclusion and Exclusion Criteria 2.2 Blackbox Optimization 2.3 Mathematical Notation 2.4 Bayesian Optimization 2.5 Simulated Annealing 2.6 Random Search 2.7 Gridsearch 2.8 Explainable A.I. and Saliency Maps 2.9 Flowregime Classification in Stirred Vessels 2.10 Performance Metrics 2.10.1 R2 Score and Polynomial Regression for Experiment Data Analysis 2.10.2 Blackbox Optimization Performance Metrics 2.10.3 CNN Performance Metrics 3 Methodology 3.1 Requirement Analysis and Research Hypothesis 3.2 Research Approach: Case Study 3.3 Data Collection 3.4 Evaluation and Justification 4 Concept 4.1 System Overview 4.2 Data Flow 4.3 Experimental Setup 4.4 Optimization Challenges and Approaches 5 Data Collection and Experimental Setup 5.1 Hardware Components 5.2 Data Recording and Design of Experiments 5.3 Data Collection 5.4 Post-Experiment 6 Implementation 6.1 Simulation Unit 6.2 Recommendation Scalar from Saliency Maps 6.3 Saliency Map Features as Guidance Mechanism 6.4 GradCam++ Enhanced Bayesian Optimization 6.5 Benchmarking Unit 6.6 Benchmarking 7 Results and Evaluation 7.1 Experiment Data Analysis 7.2 Recommendation Scalar 7.3 Benchmarking Results and Quantitative Analysis 7.3.1 Accuracy Results from the Benchmarking Process 7.3.2 Cumulative Results Interpretation 7.3.3 Analysis of Variability 7.4 Answering the Research Questions 7.5 Summary 8 Discussion 8.1 Critical Examination of Limitations 8.2 Discussion of Solutions to Limitations 8.3 Practice-Oriented Discussion of Findings 9 Summary and Outlook / Im Bereich der Prozessleittechnik und Robotik, speziell bei der automatischen Steuerung, treten oft komplexe Optimierungsprobleme auf. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Optimierung der Kameraplatzierung in Anwendungen, die Convolutional Neural Networks (CNNs) verwenden. Da CNNs spezifische, für den Menschen nicht immer ersichtliche, Merkmale in Bildern hervorheben, ist die intuitive Platzierung der Kamera oft nicht optimal. Zwei Forschungsfragen leiten diese Arbeit: Die erste Frage untersucht die Rolle von Erklärbarer Künstlicher Intelligenz (XAI) in der Computer Vision zur Bereitstellung von Merkmalen für die Bewertung von Kamerapositionen. Die zweite Frage vergleicht einen darauf basierenden Algorithmus mit anderen Blackbox-Optimierungstechniken. Ein robotisches Auto-Positionierungssystem wird zur Datenerfassung und für Experimente eingesetzt. Als Lösungsansatz wird eine Methode vorgestellt, die XAI-Merkmale, insbesondere solche aus GradCAM++ Erkenntnissen, mit einem Bayesschen Optimierungsalgorithmus kombiniert. Diese Methode wird in einer Fallstudie zur Klassifizierung von Strömungsregimen in industriellen Bioreaktoren angewendet und zeigt eine gesteigerte performance im Vergleich zu etablierten Methoden. Zukünftige Forschung wird sich auf die Sammlung weiterer Daten, die Inklusion von verrauschten Daten und die Konsultation von Experten für eine kostengünstigere Implementierung konzentrieren.:Contents 1 Introduction 1.1 Motivation 1.2 Problem Analysis 1.3 Research Question 1.4 Structure of the Thesis 2 State of the Art 2.1 Literature Research Methodology 2.1.1 Search Strategy 2.1.2 Inclusion and Exclusion Criteria 2.2 Blackbox Optimization 2.3 Mathematical Notation 2.4 Bayesian Optimization 2.5 Simulated Annealing 2.6 Random Search 2.7 Gridsearch 2.8 Explainable A.I. and Saliency Maps 2.9 Flowregime Classification in Stirred Vessels 2.10 Performance Metrics 2.10.1 R2 Score and Polynomial Regression for Experiment Data Analysis 2.10.2 Blackbox Optimization Performance Metrics 2.10.3 CNN Performance Metrics 3 Methodology 3.1 Requirement Analysis and Research Hypothesis 3.2 Research Approach: Case Study 3.3 Data Collection 3.4 Evaluation and Justification 4 Concept 4.1 System Overview 4.2 Data Flow 4.3 Experimental Setup 4.4 Optimization Challenges and Approaches 5 Data Collection and Experimental Setup 5.1 Hardware Components 5.2 Data Recording and Design of Experiments 5.3 Data Collection 5.4 Post-Experiment 6 Implementation 6.1 Simulation Unit 6.2 Recommendation Scalar from Saliency Maps 6.3 Saliency Map Features as Guidance Mechanism 6.4 GradCam++ Enhanced Bayesian Optimization 6.5 Benchmarking Unit 6.6 Benchmarking 7 Results and Evaluation 7.1 Experiment Data Analysis 7.2 Recommendation Scalar 7.3 Benchmarking Results and Quantitative Analysis 7.3.1 Accuracy Results from the Benchmarking Process 7.3.2 Cumulative Results Interpretation 7.3.3 Analysis of Variability 7.4 Answering the Research Questions 7.5 Summary 8 Discussion 8.1 Critical Examination of Limitations 8.2 Discussion of Solutions to Limitations 8.3 Practice-Oriented Discussion of Findings 9 Summary and Outlook

Beim Tissue Engineering werden verschiedene Bereiche der Medizin, der Biologie und der Technik miteinander kombiniert. Das Ziel ist es, ein vitales und funktionales Ersatzgewebe herzustellen, das aus körpereigenen Zellen besteht. Dabei werden körpereigene Zellen auf ein resorbierbares Gerüst transplantiert und in vitro konditioniert, um ein vitales Ersatzgewebe zu schaffen, dass stabil genug ist, um implantiert werden zu können. Dieses Konstrukt hätte die Fähigkeit, sich in das umgebende Gewebe zu integrieren und wie gesundes Gewebe zu entwickeln (z.B. mitwachsen). In dieser Arbeit konnten vaskuläre Zellen aus körpereigenen Nabelschnurgefäßen als neue Zellquelle evaluiert werden. Ein großer Vorteil der Nabelschnur gegenüber den Fragmenten der Aorta ascendens und der Vena saphena magna ist, dass dieses Gewebe nach der Geburt überflüssig ist und verworfen wird. Damit wäre kein weiterer belastender Eingriff bei den Patienten erforderlich. Durch die Kryokonservierung dieser Zellquelle wäre somit auch eine Haltbarkeit möglich gemacht, die eine Verwendung dieser Zellquelle auch bei älteren Patienten zu jedem Zeitpunkt möglich macht. Diese mit kryokonservierten vaskulären Nabelschnurzellen hergestellten Herzklappen waren vital und zeigten unter dynamischen Konditionierungsbedingungen in einem dafür hergestellten Bioreaktor im Vergleich zu den statisch belassenen Klappen eine höhere extrazelluläre Matrix Produktion. Eine Verwendung der kryokonservierten vaskulären Zellen aus humanen Nabelschnurgefäßen ist somit für das Tissue Engineering von kardiovaskulären Strukturen wie das der Herzklappe möglich gemacht worden. / Tissue engineering of heart valves has been developed to overcome the problems of bioprosthetical, mechanical heart valves or homografts by fabricating a viable heart valve substitute from autologous cells with the ability to grow, repair and remodel. This work was focusing of the impact of cryopreserved human umbilical cord cells for fabrication of tissue engineered heart valves for patients diagnosed prenatally with congenital heart lesions potentially enabling heart valve replacement in the early years of life. By using biodegradable polymer matrices as a scaffold for tissue development until cells produce their own matrix autologous cryopreserved human umbilical cord cells are seeded onto the polymer scaffold, forming viable tissue while the polymer degrades. By using a biomimetic flow culture systems these cells shows perfect abilities of creating an in vitro tissue formation. However these cells suggest the potential benefit of establishing autologous human cell banks for pediatric patients diagnosed intrauterinely with congenital defects.

Lab-on-a-chip (LOC) technology has blossomed into a major new technology fundamentally influencing the sciences of life and nature. From a systemic point of view however, microfluidics is still in its infancy. Here, we present the concept of a microfluidic central processing unit (CPU) which shows remarkable similarities to early electronic Von Neumann microprocessors. It combines both control and execution units and, moreover, the complete power supply on a single chip and introduces the decision-making ability regarding chemical information into fluidic integrated circuits (ICs). As a consequence of this system concept, the ICs process chemical information completely in a self-controlled manner and energetically self-sustaining. The ICs are fabricated by layer-by-layer deposition of several overlapping layers based on different intrinsically active polymers. As examples we present two microchips carrying out long-term monitoring of critical parameters by around-the-clock sampling. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Polyketides are natural products with complex chemical structures and immense pharmaceutical potential that are synthesized via secondary metabolic pathways. The in-vitro synthesis of these molecules requires high supply of building blocks such as acetyl Co-enzyme A, and cofactors (adenosine triphosphate (ATP). These precursor and cofactor are synthesized from respective soluble enzymes. Owing to the expensive nature of the enzymes, it is important to immobilize enzymes to improve the process economics by enabling multiple uses of catalyst and improving overall productivity and robustness. The polymer-based particles of nano and submicron size have become attractive material for their role in the life sciences. With the advances in synthetic protocols of the microgels and commercial availability of many of the monomers, it is feasible to tune the properties of the particles as per the process requirement. The core shell microgel with functional shell allows high loading of ligands onto the microgel particles due to increased availability of functional group on the outer surface. The aim of the thesis thus was to study biochemical reactions on the smart microgels support using single (acetyl CoA synthetase (Acs)) and dual (pyruvate kinase (Pk) and L-lactic dehydrogenase (Ldh)) enzyme/s systems. The study indicated that the enzyme immobilization significantly depends on the enzyme, conjugation strategy and the support. The covalent immobilization provides rigidity to the enzyme structure as in case of Acs immobilized on PNIPAm-AEMA microgels but at the same time leads to loss in enzyme activity. Whereas, in the case of covalent immobilization of Ldh on microgel showed improved in enzyme activity. On the other hand adsorption of the enzyme via ionic interaction provide better kinetic profile of enzymes hence the membrane reactor was prepared using PNIPAm-PEI conjugates for acetyl CoA synthesis. The better outcome of work with PNIPAm-PEI resulted in its further evaluation for dual enzyme system. This work is unique in the view that the immobilization strategies were well adapted to immobilize single and dual enzymes to achieve stable bioconjugates for their respective applications in precursor biosynthesis (Acetyl Co enzyme A) and co-factor dependent processes (ACoA and ATP). The positive end results of microgels as the support (particles in solution and as the thin film (membrane)) opens further prospective to explore these systems for other precursor biomolecule production.

pH is a key parameter in the optimization of animal cell processes, and has be linked to specific patterns of consumption and production of extracellular metabolites. However, the effect of extracellular pH on intracellular metabolism has not been fully elucidated. Metabolic flux analysis is a mathematical method that can be used to generate the intracellular flux distributions in cells, e.g. as a function of some environmental parameter. In this work, the overall objective was to develop a culture system and experimental protocol for cultivation of CHO cells, which can be used to generate data for analysis of the relationship between extracellular pH and intracellular fluxes in CHO cells by metabolic flux analysis. First, shake-flask culture of an IgG-producing cell line was performed to select an academic and chemically-defined medium with known composition. This was followed by subsequent adaptation of the cells. It was found that the originally selected medium had to be supplemented with a commercial medium to produce acceptable growth and viability. Shake-flask culture was also performed to evaluate the effect of the biological buffer HEPES on cell growth and viability, and the pH-stability during culture. HEPES-concentrations in the investigated range (7.5-45 mM) did not show an apparent effect on cell growth or viability. The higher concentrations gave slightly better buffering capacity at inoculation, however were not sufficient to keep pH stable during culture. As a result, the idea of using shake flask culture and similar techniques for cultivation of cells at various pH set-points was dismissed. Instead, a culture system and protocol based on a 100 mL Spinner flask with pH-regulation was custom-designed for the project. Features of the final design included continuous monitoring of pH and DO, stable temperature at 37 °C, adjustable agitation rate, as well as the option to incorporate inflow of air, O2 and CO2. In addition, the possibility to disconnect the flask unit to perform medium exchange and sample collection away from the reactor site (i.e. in a laminar flow workbench) was integrated into the design and protocol. The system was demonstrated for pseudo-perfusion culture with the adapted IgG-producing cell line at pH 7.0 during 24 days. Optimized regulation settings were identified. It was shown that the system could support viable cell densities of up to 11 MVC/mL and high viability (&gt; 90 %). During the final phase of culture, stable growth, at specific growth rates of approximately 0.7 Day-1, was achieved. The specific rates of consumption and production of the key metabolites glucose, glutamine, lactate and NH4+, as well as 20 amino acids were analyzed. A majority of the rates were in accordance with CHO cell metabolism. The expected consumption of a majority of the essential amino acids and main carbon sources glucose and glutamine were confirmed, as well as the associated production of by-products lactate and NH4+. The system and protocol developed in this work can be used in future experiments to generate data describing metabolic profiles as a function of various pH-set points. This data may then be used in metabolic flux analysis to further elucidate the metabolism behind pH effects in CHO cells. / pH är en viktig parameter i optimeringen av animalcellsprocesser och har sammankopplats med specifika konsumtions- och produktionsmönster rörande extracellulära metaboliter. Det extracellulära pH-värdets effekt på den intracellulära metabolismen är dock inte fullt klarlagd. Metabolisk flux analys är en matematisk metod som kan användas för att generera intracellulära fluxfördelningar i celler, exempelvis som en funktion av någon yttre parameter. Det övergripande målet i detta arbete var att utveckla ett odlingssystem och experimentellt protokoll för odling av CHO-celler som kan användas för att generera data för metabolisk flux analys där målet är att studera effekten av pH på den intracellulära cellmetabolismen. En IgG-producerande CHO-cellslinje odlades först i skakkolv för att välja ut ett akademiskt kemiskt definierat medium med känd sammansättning. Därefter följde försök att anpassa cellerna till det valda mediet. Det visade sig att ett kommersiellt medium behövde tillsättas för att ge godtagbar tillväxt och viabilitet. Effekten av den biologiska bufferten HEPES på cellernas tillväxt och viabilitet, samt pH-stabiliteten under odling, undersöktes också genom odling i skakkolv. HEPES-koncentrationer i det undersökta intervallet (7.5 – 45 mM) hade ingen större effekt på tillväxt och viabilitet. För de högre koncentrationerna var buffertkapaciteten något bättre precis vid inokulering. Dessa koncentrationer var dock ej tillräckliga för att ge stabilt pH under odlingen. Baserat på dessa resultat övergavs tanken på att använda skakkolvsodling för att odla celler vid olika pH-värden. Ett odlingssystem och ett protokoll baserat på en 100 mL Spinnerflaska med pH-reglering specialdesignades istället för projektet. I det färdiga systemet fanns lösningar för kontinuerlig övervakning av pH och DO, stabil temperatur vid 37 °C, justerbar omrörningshastighet, samt valmöjligheten att flöda in luft, O2 och CO2. Dessutom infördes möjligheten att koppla loss flaskenheten från reglersystemet för byte av medium och provtagning. För att demonstrera systemet genomfördes en odling med den anpassade IgG-producerande cellinjen enligt principen för pseudo-perfusion vid pH 7.0. Odlingen pågick under 24 dagar och optimerade reglerinställningar identifierades. Det visades att systemet kunde understödja cellkoncentrationer upp till 11 miljoner celler per milliliter, samt hög viabilitet (&gt; 90 %). Under den senare delen av odlingen uppnåddes stabil tillväxt, vid specifika tillväxthastigheter omkring 0.7 per dygn. Den specifika konsumtions- och produktionshastigheten för metaboliterna glukos, glutamin, laktat och NH4+, samt 20 aminosyror analyserades. Majoriteten av hastigheterna stämde överens med typisk CHO-cellsmetabolism. Den förväntade konsumtionen av majoriteten av de essentiella aminosyrorna och huvudsakliga kolkällorna glukos och glutamin konfirmerades, såväl som den associerade produktionen av bi-produkterna laktat och NH4+. Odlingssystemet och det experimentella protokollet som utvecklades i detta arbete kan användas i framtida experiment för att generera data som beskriver metaboliska profiler som funktion av extracellulärt pH. Dessa data kan sedan användas i metabolisk flux analys för att dra slutsatser om pH-effekter i CHO-celler.

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