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Bioprozess-Steuerung

Einfach unter Kontrolle: Bioprozess-Steuerung mit vorkonfigurierten Kontrollstrategien

| Autor / Redakteur: Ulrike Becken* / Dr. Ilka Ottleben

Abb. 1: Bioflo 120 Bioprozess-Steuerungseinheit mit Oberfläche für den Auto-Culture-Modus
Abb. 1: Bioflo 120 Bioprozess-Steuerungseinheit mit Oberfläche für den Auto-Culture-Modus (Bild: Eppendorf AG / 2016 Matthew C. Abourezk)

Die Bedienung eines Bioprozess-Controllers ist für Neulinge nicht leicht zu erlernen, und Lehrbücher und Benutzerhandbücher können praktische Erfahrung allenfalls teilweise ersetzen. Vorkonfigurierte Kontrollstrategien können dem Einsteiger schnell zu ersten Erfolgen bei der Bioprozess-Steuerung verhelfen.

Die Bioprozesstechnik ermöglicht die technische Anwendung biologischer Abläufe. Verschiedene Organismen und Zelltypen, wie Bakterien, Pilze, Säugerzellen oder Pflanzenzellen, lassen sich zur Herstellung von pharmazeutischen Wirkstoffen, Lebensmittelzusätzen oder Biokraftstoffen nutzen. Damit dies effizient funktioniert, benötigen die Produktionsorganismen optimale Wachstumsbedingungen. In einem Bioprozess müssen daher verschiedene Parameter, wie die Temperatur, der pH-Wert des Mediums und die Gelöstsauerstoffkonzentration, überwacht und reguliert werden.

In der Praxis kann dies sehr komplex sein und insbesondere der wenig erfahrene Anwender sucht unter Umständen Rat: „Welche Sollwerte sollte ich wählen und wie stelle ich Regelkreise ein, damit die tatsächlichen Prozesswerte so nahe wie möglich an den Sollwerten liegen?“ Nun, das hängt von der Situation ab. Der Anwender muss berücksichtigen, welchen Organismus er kultivieren möchte, in welcher Art von Gefäß und so weiter.

Nehmen wir als Beispiel die Kontrolle der Gelöstsauerstoffkonzentration im Kulturmedium. In aeroben Prozessen ist diese entscheidend, um eine ausreichende Sauerstoffversorgung der Zellen oder Mikroorgansimen sicherzustellen. Wieviel Sauerstoff in das Medium gelangt, hängt von verschiedenen Variablen ab. Neben der Begasungsrate spielen beispielsweise die Rührgeschwindigkeit und die Sauerstoffkonzentration in der zugeführten Gasmischung eine Rolle. Alle diese Parameter können variiert werden, um die Gelöstsauerstoffkonzentration im Kulturmedium am Sollwert zu halten, doch welche Variationen sinnvoll sind, hängt vom gegebenen Bioprozess ab. In mikrobiellen Prozessen erhöhen Wissenschaftler den Sauerstoffeintrag in das Medium häufig über Kaskaden. Zuerst werden die Rührgeschwindigkeit und anschließend die Begasungsrate und der Sauerstoffanteil in der Gasmischung erhöht. Für empfindliche Säugerzellen hingegen ist ein Protokoll, das die Rührgeschwindigkeit und damit den Scherstress niedrig hält, besser geeignet. Und es wird noch komplexer, weil zur Optimierung der Rührgeschwindigkeit und Begasung weitere Faktoren, wie Gefäßtyp, Gefäßgröße sowie Anzahl und Typ der Rührer berücksichtigt werden müssen.

Bioprozesse schnell starten

Hier setzten vorkonfigurierte Kontrollstrategien an. Bei der Entwicklung des Eppendorf Bioflo 120 Bioprozess-Controllers wurde dessen Steuerungssoftware mit Auto-Culture-Modi ausgestattet. In diesen Modi kann der Anwender entweder ein vordefiniertes E. coli Batch-Fermentationsprotokoll oder ein CHO Batch-Zellkulturverfahren auswählen und mit einem Knopfdruck starten (s. Abb. 1). Die Auto-Culture-Modi sind bereits vorab mit Sollwerten und Kaskaden versehen, die vom Eppendorf Anwendungs- und Entwicklungsteam empfohlen wurden. Diese Werte repräsentieren Expertenwissen, das über hunderte von Versuchen in Eppendorfs Labor für Anwendungsentwicklung gewachsen ist. Der Anwender muss lediglich Gefäßgröße und -typ aus einer Liste auswählen und dann die üblichen Vorbereitungen für den Lauf treffen (Sensoren- und Pumpenkalibrierung, Vorbereitung des Gefäßes). Die Auto-Culture-Modi ermöglichen es dem Anwender, schnell und einfach erste Kulturerfolge bei gleichzeitig minimaler Lernkurve zu erzielen. Alle Sollwerte und Betriebsarten können angepasst, optimiert und als anwenderdefinierte Rezepte gespeichert werden. Diese werden dann zum zukünftigen Gebrauch in der Auto-Culture-Bibliothek gesammelt.

Aber was genau macht der Auto-Culture-Modus? Und wie gut funktioniert er? Im Folgenden werden die Einstellungen in diesem Modus für die Kultivierung für E. coli betrachtet und die Ergebnisse einer Batch-Fermentation eines GFP-exprimierenden Stammes gezeigt, die im Eppendorf-Anwendungslabor in Enfield/USA durchgeführt wurden.

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