Sensoren für Einwegbioreaktoren: Der Sensor aus der Tüte

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ZHAW

Eine ganz neue Messtechnik

Doch was so einfach klingt, hat in Praxis erhebliche Tücken: Fertigungsbedingt müssen sämtliche Komponenten der Mess- und Regeltechnik, die in Kontakt mit dem Medium stehen, bereits bei der (trockenen) Produktion und Lagerung des Kulturbeutel eingebaut sein. Auch müssen sich Sensoren, Fühler und Anschlüsse problemlos mit dem Reaktor sterilisieren lassen. Die spätere Befüllung und das Ansetzen des Mediums machen zudem eine Kalibrierung vor der Benutzung schwierig bis unmöglich. Auf diese Weise muss bereits zum Zeitpunkt der Fertigung des Reaktorbeutels klar sein, welche Sensoren für welche Parameter eingebaut werden sollen – eine spätere Anpassung ist nur in Ausnahmefällen möglich.

All diese Anforderungen machen eine völlig neue und anders- artige Technik als die, die für herkömmliche Bioreaktoren verwendet wird, nötig. Trotzdem müssen Betriebsparameter wie Nährstoffversorgung, Temperatur, pH-Wert oder Sauerstoffgehalt des Mediums sicher bestimmt werden, um eine effiziente Produktion hochwertiger Pharmazeutika zu ermöglichen. Die Sensoren werden daher zur Schlüsseltechnologie für den Erfolg von Einwegbioreaktoren – ihr Einsatz aber erfordert die Entwicklung gänzlich neuer Verfahren und Technologien.

Drinnen oder draußen?

Bei Einsatz von Messverfahren für die biotechnologische Produktion in Single-Use-Kulturen muss primär zwischen invasiver Technologie (also Einbauten im Inneren des Kulturbeutels wie Sonden, Fühler oder Sensoren) und nicht-invasiven Technologien (Messungen von außen, z.B. mittels optischer Verfahren) unterschieden werden. Nicht-invasive Verfahren sind natürlich von den meisten Problemen mit Sterilisation und Entsorgung nicht betroffen und können daher auf höherwertige, wiederverwertbare Komponenten zurückgreifen. Denkbar und keineswegs selten sind natürlich auch Mischverfahren, die eine reaktive Komponente im Innern des Reaktors in Kombination mit einem optischen Sensor außerhalb des Beutels nutzen.

Wer einen Blick ins Innere des Einwegreaktors wagen möchte, kann dafür aus einer Reihe erprobter Verfahren schöpfen. Eine Technologie, die bereits am Markt etabliert ist, ist die pH-Messung mittels der eines reaktiven Farbplättchens im Reaktor. Da der Beutel trocken gefertigt und gelagert wird, können die üblichen gepufferten pH-Elektroden nicht benutzt werden. Daher wird auf ein nur wenige Millimeter großes Plättchen mit einer pH-sensitiven Farbe zurückgegriffen, das von einer schützenden, semi-permeablen Membran umgeben ist.

Dieses Plättchen verfärbt sich, ähnlich wie Indikatorpapier, bei sich änderndem pH-Wert – eine Reaktion, die sich von außerhalb des Beutels mittels eines Lasers erfassen lässt. Dadurch, dass der eigentliche Sensor außerhalb des Reaktors verbleibt, kombiniert dieses Verfahren eine Komponente im Bag mit den Vorteilen einer nicht-invasiven Messung.

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