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Bioreaktoren

Fermentation – Upscale im Labor

11.09.2007 | Redakteur: Marc Platthaus

Abb. 1 Systeme wie der Biostat Qplus bieten die Möglichkeit, im Parallelbetrieb zu arbeiten und bis zu zwölf Gefäße zu steuern.
Abb. 1 Systeme wie der Biostat Qplus bieten die Möglichkeit, im Parallelbetrieb zu arbeiten und bis zu zwölf Gefäße zu steuern.

Das richtige System für die spezifische Anwendung – dieser Anspruch steht auch bei der Auswahl geeigneter Bioreaktoren für die Fermentation im Vordergrund. Neben Fragen wie Bedienbarkeit, Skalierbarkeit, Zuverlässigkeit oder Durchsatz steht mittlerweile immer häufiger auch die Frage nach Einweg- oder konventionellem System im Vordergrund.

Der Bioreaktor, ganz gleich ob für die Kultivierung anspruchsvoller Säugerzellen oder Mikroorganismen, ist das Herzstück des biotechnologischen Produktionsprozesses. Damit aber im Vorfeld der eigentlichen (kostspieligen) Produktion möglichst viele Parameter überprüft und verifiziert werden können, ist der Einsatz von Laborfermentern erforderlich.

Die Vorteile des verringerten Maßstabs sind Einsparungen beim Medienverbrauch, geringerer Energie- und Platzbedarf sowie einfachere Sterilisierbarkeit im Autoklaven. Als Reaktoren werden teils maßstäblich verkleinerte Fermenter, teils an die jeweilige Aufgabenstellung angepasste Spezialgefäße verwendet.

Laborfermenter arbeiten in einem Maßstab von Millilitern bis zu mehreren 100 Litern und dienen neben der Stamm- und Prozess-entwicklung auch der Bioprozessoptimierung (Optimierung von Stämmen oder Nährmedien) sowie auch der Produktion von Kleinmengen z.B. in der Wirkstoffforschung. Der Laborfermenter ist – analog zum Produktionsfermenter – ein Reaktor, in dem die notwendigen verfahrenstechnischen Grundoperationen (Temperieren, Rühren, Begasen oder Dosieren) zum Kultivieren von Mikroorgansimen (Pilze, Bakterien) und Zellkulturen (Pflanzen-, Insekten und Säugerzellen) durchgeführt werden können.

Die einfachste Form des Bioreaktors/Fermenters im Labor ist allerdings der einfache Erlenmeyerkolben, der zum Rühren auf Schüttelmaschinen gesetzt wird. Das Schütteln ist eine der schonendsten Arten des Durchmischens, weshalb Schüttelgefäße auch für scherempfindliche Kulturen, wie tierische Zellkulturen eingesetzt werden. Neben Glas- bzw. Edelstahlsystemen – im größeren Maßstab – haben sich in der letzten Zeit auch immer mehr Einwegsysteme durchgesetzt. Hier werden Beutel aus speziellen Kunststoffen für die Zellkultivierung verwendet. Aufgrund der erzielbaren Zeiteinsparung bei der Prozessentwicklung und -optimierung werden Laborfermentersysteme zunehmend als Parallelreaktorsysteme konzipiert. Sartorius Stedim Biotech bietet beispielsweise mit dem Biostat Qplus ein System an, das bis zu zwölf voneinander unabhängige Reaktionssysteme aufweist.

„Die Fragen, die der Anwender beantworten muss, betreffen die Applikation, den späteren Produktionsmassstab sowie den gewünschten Durchsatz während der Entwicklung. Dazu kommt die Frage, ob ein Einwegsystem eine ökonomisch sinnvolle Alternative darstellt,“ so Andre Grebe, Produktmanager bei Sartorius Stedim Biotech. Von diesen Antworten aus können dann alle weiteren Systemanforderungen abgeleitet werden.

Paralleler Betrieb mehrerer Bioreaktoren

Insbesondere in der Wirkstoffforschung ist der Parallelitätsgedanke in allen Bereichen von entscheidender Bedeutung. Die Möglichkeit mehrere Versuche gleichzeitig durchzuführen, kommt dem allgemeinen Wunsch der Unternehmen nach Zeit- und Kostenersparnis entgegen. Kürzere Entwicklungszeiten bringen den entscheidender Vorteil, schneller mit einem neuen Produkt am Start zu sein. Der Biostat Qplus ist eine neue Generation von Bioreaktorsystemen, die für den Parallelbetrieb mit hohen Durchlaufkapazitäten entwickelt wurde.

Ein neu entwickeltes Kontrollsystem ermöglicht zusammen mit kleinvolumigen Kultivierungsgefäßen vielfältige Möglichkeiten bei biotechnologischen Reihenversuchen. Mit dem Qplus können bis zu zwölf voneinander unabhängige Gefäße mit minimalem manuellen Aufwand betrieben werden.

Applikationsbezogene, vorkonfigurierte Pakete für die mikrobielle- und die Zellkultur bieten alles, um sofort mit dem Fermentationsprozess zu starten. Der Biostat Qplus ist mit Kulturgefäßen von 0,5 und einem Liter erhältlich. Durch das integrierte und platzsparende Tower-Design wird für ein Zwölffach-System mit 0,5-Liter-Kulturgefäßen weniger als 2,5 Meter Platz benötigt, eine spezielle Labor-einrichtung ist zudem nicht notwendig.

Das Gerät wird mit einem komplett konfigurierten Softwarepaket zur Prozesskontrolle und Datenspeicherung geliefert. Ein Dreifach-, Sechsfach- oder Neunfach-System kann ohne aufwändige Softwareerweiterung mit einem so genannten Erweiterungskit bis zu einem Zwölffach-Bioreaktor ausgebaut werden.

Die Anwendungen des Biostat Qplus umfassen unter anderem:

  • Wachstumsstudien bei mikrobiellen Kulturen, Säuger-, Insekten- und Pflanzenzellen,
  • Kulturmedienzusammenstellung- und Optimierung,
  • Überführung von Kulturen aus Schüttelkolben,
  • Hochzelldichtekultivierungen,
  • Protein- und MAB-Expression im kleinen Maßstab oder die
  • Verkleinerung von Produktionsprozessen für die Prozessoptimierung.

Fermentation größerer Mengen

Für Anwendungen mit größeren Ansätzen bietet Sartorius Stedim Biotech die Bioreaktoren der Serien Biostat A, B und C in verschiedenen Größenausführungen an.

Der Biostat Aplus ist ein kompakter, autoklavierbarer Bioreaktor, konzipiert für die schulische und universitäre Ausbildung sowie für Forschungsanwendungen. Das „Ein-Gehäuse-Konzept“ mit integrierten Steuerungs-, Pumpen-, Temperatur-, Begasungs- und Motorsystem reduziert den Platzbedarf auf ein Minimum. Bestandteil des Systems ist ebenfalls ein Notebook-PC mit zwei vorinstallierten Softwarepaketen für die Bedienung, sowie das MFCS/DA zur Prozessdatenspeicherung und Visualisierung.

Der Laborfermenter Biostat Bplus ist als Single- und Twin-Version erhältlich und bietet zur einfachen Handhabung eine grafische Benutzeroberfläche und Touch-Screen-Bedienung. Das integrierte Systemkonzept enthält in einem Edelstahlgehäuse das Steuerungs-, Temperier- und Begasungssystem, eine Motorregeleinheit und bis zu vier Schlauchpumpen je Kulturgefäß. Die autoklavierbaren Kulturgefäße sind mit einem Arbeitsvolumen von einem bis zu zehn Litern erhältlich. Übersichtliche Prozessdisplays bieten eine einfache und intuitive Bedienung des Fermenters. Das System ist für eine Vielzahl von Applikationen vorkonfiguriert. Dabei enthält das integrierte digitale Steuerungssystem alle benötigten Stellgliedansteuerungen sowie die Messverstärker für pH, pO2, Temperatur, sowie Schaum- und Niveauregelung. Darüber hi-naus können zwei Messverstärker für Redox- und Trübungsmessung integriert werden; zusätzlich auch externe Messverstärker, die auf dem Prozessdisplay visualisiert werden. Für den Biostat Bplus stehen sowohl für die mikrobielle als auch für Zellkulturanwendungen verschiedene Begasungssysteme zur Verfügung.

Das integrierte Thermostatensystem mit getaktetem Kühlwasserventil ermöglicht eine exakte Temperaturregelung und schnelle Aufheiz- und Abkühlraten. Alle Verbindungen zum Kulturgefäß sind zur einfachen Handhabung über Schnellkupplungen realisiert. Um die Durchmischung der Kulturen zu gewährleisten, besitzen die Systeme einen Rührantrieb mit einem großen Drehmoment und einem Drehzahlregelbereich von 20 bis zu 2000 Umdrehungen pro Minute. Dies ermöglicht eine sanfte Durchmischung von empfindlichen Zellkulturen sowie einen maximalen Sauerstoffeintrag für mikrobielle Hochzelldichtekultivierungen bei Höchstdrehzahl. Werden die Volumina größer, kommen unter anderem Reaktoren mit Edelstahlgefäßen wie der Biostat Cplus zum Einsatz.

„Wichtig ist, dass die Steuersoftware und auch die Bedienelemente bei allen Systemen möglichst identisch konfiguriert und steuerbar sind. So findet der Anwender sich sofort zurecht, wenn er auf ein anderes System umsteigt“, beschreibt Sartorius-Mitarbeiter Grebe das Biostat-Konzept.

Bioreaktoren im Einweg- oder Mehrwegsystem?

Besonders aktuell in der Biotechnologie ist das Thema „Single-use“. Einwegsysteme, so genannte Disposables, oder die Verwendung von klassischen Bioreaktorsystemen stehen dabei zur Auswahl. Bei Einwegsystemen können Validierungs- und Reinigungsprozeduren auf ein Minimum reduziert werden.

Neben der Prozesssicherheit und vereinfachten Handhabung bieten sie zusätzlich auch wirtschaftliche Vorteile. Sie sind permanent verfügbar, flexibel einsetzbar und Produktwechsel können schnell und kostengünstig vollzogen werden. Sartorius Stedim bietet hier mehrere Systeme an: unter anderem den Einwegbioreaktor Cultiflask. Er basiert auf einem klassischen 50 ml Zentrifugenröhrchen. Mit ihm ist es möglich, 500 und mehr Zellkulturproben gleichzeitig zu kultivieren. Will man größere Ansätze fahren, so kommt der Cultibag von Sartorius Stedim Biotech in Frage. Ein Culitbag-System setzt sich aus dem Rocker, der nach dem Schaukelprinzip arbeitet, der Biostat-Kontrolleinheit und dem Cultibag zusammen. Das Schaukelprinzip des Rockers eignet sich besonders für die Kultivierung von scherkraftempfindlichen Zelllinien. Die zentrale Beutel-Einheit ist in den Volumen von 1 bis 200 Litern verfügbar. Darüber hinaus stehen mit neuen Einwegsensoren auch Prozessparameter wie pH und pO2 im Biostat CultiBag zur Verfügung.

„Bei Einwegsystemen geht der Trend in Richtung einer stärkeren Instrumentierung für eine bessere Online-Prozeskontrolle“ so Grebe von Sartorius Stedim Biotech.

Der Cultibag eignet sich für:

  • Zellen von Säugetieren, Pflanzen, Insekten und einigen Mikroorganismen,
  • scherstressempfindliche Zellen oder anaerobe Bakterien sowie die
  • Überführung von Kulturen aus Schüttelkolben oder T-Flaschen.

Um sich einen Überblick über die Sartorius-Stedim-Bioreaktoren zu verschaffen, empfiehlt sich ein Besuch am Sartorius-Stand (Halle 9, Stand F33) auf der Biotechnica in Hannover vom 9. bis 11. Oktober 2007. map

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