Effiziente Zellkultivierung: Schneller, flexibler

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Der Kulturgefäßkörper besteht aus Polycarbonat und enthält eine Graduierung. Der Gefäßboden entspricht dem Klöpperbodendesign von Edelstahlrührreaktoren. Für den sicheren Stand während des Betriebes wird der Univessel SU in einen Gefäßhalter eingesetzt. Alle Gefäßzugänge sind, ähnlich wie bei Glasrührreaktoren, auf dem Deckel des Kulturgefäßes positioniert. Der Deckel ist fest mit dem Gefäßkörper verbunden und mit einer Vielzahl von Ports ausgestattet. Alle Zugabe- und Ernteports sind mit thermoplastischen Schläuchen und Luer-MPC-Kupplungen ausgestattet. Für die Probenahme ist ein nadelfreies Septum installiert. Die Vollentleerung erfolgt über ein Ernterohr, das bis zur Mitte des Kulturgefäßbodens geführt ist. Die Belüftung kann submers und/oder über den Kopfraum erfolgen, sowohl Zuluftstrecke als auch Abluftstrecke sind mit Sterilfiltern ausgestattet. Die Submersbegasung erfolgt über ein Begasungsrohr mit kleinen Löchern. Darüber hinaus sind drei Ports mit Gewinde (PG 13.5) für die Integration von Standard 12-mm-Sonden vorhanden. Die Rührwelle ist für höchste Stabilität mit zwei Kugellagern gelagert und mit einer Lippendichtung zur Aufrechterhaltung der Sterilität versehen. Zwei 3-Blattsegmentrührer (down-flow) sorgen für eine optimale axiale Durchmischung des Zellkulturmediums.

Der Univessel SU ist zusätzlich mit nicht-invasiven optischen Einweg-Sonden für pH und pO₂ ausgestattet. Diese so genannten Sensorpatches enthalten spezielle Farbstoffe, die mit Licht charakteristischer Wellenlänge durch die Kulturgefäßwandung zur Fluoreszenz angeregt werden. Die Eigenschaften des von den Sensorpatches emittierten längerwelligen Fluoreszenzlichtes hängen von dem pH-Wert bzw. dem pO₂-Wert, des mit den Sensorpatches in Kontakt stehenden Kulturmediums ab. Sowohl die Fluoreszenzanregung als auch die Detektion des emittierten Fluoreszenzlichts erfolgen durch die im Kulturgefäßhalter eingebaute Sensolux-Optoelektronik (s .Abb. 2).

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Interview mit Sabrina Armgart und Andre Grebe

LP: Gibt es für den Einweg-Bioreaktor Univessel SU die klassische Anwendung? Adressieren Sie spezielle Applikationen?

Sabrina Armgart: Wir sprechen in erster Linie Anwender aus dem Bereich der Zellkulturentwicklung an und hier ganz speziell aus der Prozessentwicklung. Gerade hier spielen Einwegsysteme ihre Stärken wie geringen Reinigungsaufwand oder schnelle Inbetriebnahme aus. Bei den Applikationen haben wir aber auch ein System für die mikrobielle Fermentation in der Planung, um einen noch größeren Anwenderkreis zu bedienen.

LP: Sind mikrobielle Fermentationsprozesse in der Umsetzung schwieriger?

Andre Grebe: Eigentlich stellen sie weniger komplexe applikative Anforderungen. Sie benötigen allerdings deutlich höhere Begasungsraten und höhere Rührergeschwindigkeiten. Wir entwickeln momentan Lösungen, die es ermöglichen, die Rührergeschwindigkeiten von derzeit 700 U/min auf 2000 U/min zu erhöhen.

LP: Muss sich der Anwender für ein Einweg- oder Mehrwegsystem entscheiden oder kann er sogar wechseln?

Armgart: Ihm bleiben beide Optionen: Er muss sich nicht auf eine Lösung festlegen. Die Einweg-Kulturgefäße können auch im wechselseitigen Einsatz mit Glasgefäßen eingesetzt werden, sodass z.B. in Zeiten stark erhöhter Arbeitsbelastung oder wenn ein Kulturgefäß gewartet wird, einfach gewechselt werden kann. So werden Stillstandzeiten der Bioreaktorsteuerung reduziert bzw. eliminiert und die kostenintensive Beschaffung von zusätzlichen komplett ausgestatteten Glas-Bioreaktorgefäßen vermieden.

LP: Wieviel Zeit spart man durch den Einsatz des Univessels?

Grebe: Wenn man für die Inbetriebnahme eines Standardglasreaktors inkl. Reinigung, Sterilisation und Kalibrierung der Sonden und dem Ansetzen der Kultur ein Zeitbudget von rund sieben Stunden einplanen muss, dann benötigt man beim Univessel SU nur rund ein bis drei Stunden – je nachdem, ob Sensoren kalibiriert werden müssen oder die optische Messmethode verwendet wird. Egal für welche Messmethode sich der Anwender entscheidet, der Zeitgewinn ist signifikant.

LP: Warum können neben den optischen Einwegsensoren auch klassische Sensoren verwendet werden?

Armgart: Ähnlich wie bei den Controllern und Rührerantrieben wollen wir es dem Anwender ermöglichen, auch bei den Messsystemen auf gewohntes Equipment zurückzugreifen. Daneben ist die erforderliche Messgenauigkeit des pH-Wertes durch die Sensorpatches auf den pH-Bereich zwischen 6 und 8 beschränkt. Dies ist für den Bereich der Zellkultivierung jedoch absolut ausreichend und bringt weiteren Zeitgewinn.

Up-scale und Vergleichbarkeit

Up- und Downscale von Fermentationsprozessen ist keine exakte Wissenschaft, vielmehr ist es die Kombination aus Erfahrung sowie die Verwendung gleicher Prozessparameter und Designkriterien. Die wichtigsten Skalierungs-Kriterien sind das Bioreaktordesign sowie die verfahrenstechnischen Kenngrößen wie Mischverhalten und Gastransfer. Designkriterien sind im Wesentlichen das Höhen-/Durchmesser-Verhältnis des Bioreaktors, das Rührerdesign, das Verhältnis vom Rührer- zum Bioreaktordurchmesser sowie die Ausführung des Begasungselements. Für das Mischverhalten werden Mischzeiten sowie der spezifische Leistungseintrag betrachtet, für den Gastransfer ist der volumetrische O₂-Transferkoeffizient maßgeblich (s. Tab. 1).

Der Univessel SU lässt sich einfach in neue sowie bereits vorhandene Bioreaktor-Kontrolleinheiten integrieren. Hierzu ist es lediglich erforderlich das zur Temperaturregelung eine Heizmanschette verwendet wird. Der Anschluss an den vorhandenen Rührmotor erfolgt über einen wiederverwendbaren Motoradapter, dabei sind mehrere Adapter für verschiedene Rührreaktoren verfügbar. Die vorsterilisierten pH- und pO₂-Sonden werden unter der Sterilarbeitsbank in den Gefäßdeckel eingeschraubt. Der Temperatursensor wird einfach in das am Gefäßdeckel vorhandene Leerrohr eingesteckt. Für das Bioreaktorsystem Biostat B-DCU II ist die Nutzung der Einweg-pH- und -pO₂-Sonden möglich. Die Kalibrierparameter der vorkalibrierten Sensorpatches können zeitsparend über einen Barcodescanner eingelesen werden. Dadurch entfallen die Arbeitsschritte des Autoklavierens, Kalibrierens und das Einbringen der pH- und pO₂-Sonden, womit alle Vorteile des Einweggefäßes genutzt werden können.

Der Univessel SU kann bereits heute flexibel an bestehende Bioreaktor-Kontrolleinheiten angeschlossen werden. Weitere Kulturgefäßkomponenten wie ein Abluftkühler, andere Rührergeometrien, etc. sind in der Entwicklung, die künftig auch mikrobielle hochzelldichte Kultivierungen mit instrumentierten Einwegkulturgefäßen erlauben. Darüber hinaus wird die Produktfamilie Univessel SU durch weitere Gefäßgrößen ergänzt. n

* *A. Grebe, J. Weyand: Sartorius Stedim Biotech GmbH, 37075 Göttingen

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