Good Vibrations

Charakterisierung eines neuen Einwegbioreaktorsystems (bio-t® bag)

Sören Werner, Assistent Bioverfahrenstechnik, Hochschule Wädenswil, Grüental, CH-8820 Wädenswil.
Dr. Michael Nägeli, Produktmanager Bioreaktoren, zeta AG, Bio- und Verfahrenstechnik, Alte Jonastrasse 83, CH-8640 Rapperswil.

Im Unterschied zu Rührmischsystemen sind Vibrationsmischsysteme in der Biotechnologie wenig verbreitet. Unübertroffen sind diese Systeme aber bei Anwendungen, die auf nicht rotierende Teile angewiesen sind. Eine solche Anwendung ist der Trend zu Einwegbioreaktoren.

Die nachfolgende Untersuchung präsentiert eine Charakterisierung des Vibromischersystems wie es im Einwegbioreaktorsystemen der Produktlinie bio-t® bag der Firma zeta Bio- und Verfahrenstechnik zur Anwendung kommt.

Einleitung

Beim untersuchten Vibrationsmischsystem handelt es sich um ein vertikal oszillierendes Mischelement, bestehend aus einer Welle, auf der eine perforierte Scheibe sitzt (Abbildung 1).

Das Mischelement ist mit der Folie des Einwegbioreaktors mitsamt der Einwegmesstechnik verschweißt und bildet so einen kompletten Bioreaktor. Aufgrund der vertikal oszillierenden Bewegung der Scheibe wird die Flüssigkeit durch die konischen Bohrungen in der Scheibe in Bewegung gesetzt, so dass sich eine axiale Strömung ausbildet. Je nach Anordnung der konischen Bohrungen in der Scheibe stellt sich eine Auf- oder Abwärtsströmung ein. Die Strömung ist durch eine sehr gute Durchmischung ohne den Einsatz von Schikanen gekennzeichnet. Die Vortexausbildung wird vollständig unterdrückt. Außerdem ist die Scherbelastung durch die Strömung im Behälter als gering einzustufen [1].

Abb. 2: bio-t® mini Laborbioreaktorsystem.

Der Vorteil dieses Mischsystems liegt in der kostengünstigen und hermetischen Abtrennung der Umgebung durch die schwingungsfähige Folie, aus dem der Einwegbioreaktor besteht. Magnetkupplungen oder die bei Bioreaktoren sonst üblichen Gleitringdichtungen werden bei diesem Reaktordesign hinfällig.

Das innovative, zum Patent angemeldete Einwegbioreaktorsystem baut konsequent auf der Entwicklung des konventionellen bio-t® mini Bioreaktors auf (Abbildung 2). Die etablierte Kontrolleinheit ist deshalb bis auf die Ansteuerung des Antriebes (Vibromischer anstelle des Rührers) und der Einwegmesstechnik identisch. Neu hingegen ist der Aufbau des Einwegbioreaktors (Abbildung 3, Abbildung 4).

Abb. 3: Einwegbioreaktorsystem bio-t® bag von zeta.

Der neu entwickelte Antrieb, der die vertikal oszillierende Bewegung erzeugt, wurde kompromisslos bezüglich Lärmemission optimiert. Der Betrieb des Einwegbioreaktors ist deshalb im Labor problemlos möglich.

Ein Einwegbioreaktorsystem, das von der Industrie angenommen wird, muss auch seine Fähigkeit zur Maßstabsvergrößerung unter Beweis stellen. Deshalb wurden Untersuchungen zur Möglichkeit der Maßstabsvergrößerung an der Hochschule Wädenswil, Schweiz in Auftrag geben. Der Sauerstoffeintrag in ein System ist für die Kultivierung von biologischem Material von besonderem Interesse und wird bei der Maßstabsvergrößerung als ein möglicher Ähnlichkeitsparameter benutzt. Als charakteristische Größe wird der volumenspezifische Sauerstoffübergangs-koeffizient (kLa-Wert) bestimmt. Der kLa-Wert setzt sich nach der Zwei-Film-Theorie aus der spezifischen Phasengrenzfläche a und dem Diffusionskoeffizienten kL zusammen [2].

Abb. 4: 10L bio-t® bag Einwegbioreaktor mit Kontrolleinheit.

Untersuchungen

Zur Untersuchung wurden die zwei kleinsten bio-t® bag Reaktorsysteme (2 Liter und 10 Liter Arbeitsvolumen) der Firma zeta eingesetzt. Die Versuche wurden mit beiden Vibromischersystemen in Glasreaktoren mit 1,8 Liter und 10 Liter entionisiertem Wasser bei 20 °C ausgeführt. Der Leistungseintrag des Vibromischersystem kann durch die freie Wahl von Amplitude (0–100%) und Frequenz (0-50 Hz) beeinflusst werden. Die Experimente wurden bei maximalem Leistungseintrag durchgeführt. Die Belüftungsrate wurde variiert. Dabei wurde auf biologisch geeignete Einstellungen sowohl für animale und pflanzliche Zellkulturen als auch für Mikroorganismen geachtet. Die verwendete perforierte Scheibe stellte eine Aufwärtsströmung ein.

Für die Bestimmung des kLa-Wertes wurde mittels Stickstoff der gelöste Sauerstoff komplett aus dem Medium ausgetrieben und anschließend durch Sauerstoffbegasung wieder eingetragen (dynamische Gaseintragsmethode). Die Messung des zeitlichen Verlaufs erfolgte durch eine Sauerstoffpartialdruckmessung über ein amperometrisches Verfahren (Clark-Elektrode) mit einer handelsüblichen Sonde (Mettler Toledo).

Eine nichtlineare Regression mit Beachtung der Sondenträgheit an eine um einen zusätzlichen Parameter erweiterte Massenbilanz [3] diente der Bestimmung des gesuchten Parameters kLa.

Ergebnisse

Submersbegasung durch die Welle (siehe Abbildung 1) des Vibrationsmischelements wurde für die verschiedenen Belüftungsraten untersucht. Dabei wurden kLa-Werte bestimmt, die in Tabelle 1 zusammengefasst sind.

In der Literatur veröffentlichte Angaben zu Standard- und Einwegsystemen für die Zellkultur wurden recherchiert und sind im folgenden beschrieben. Im Wave-Bioreaktor wurden Sauerstofftransportkoeffizienten von maximal 11,2 h-1 berichtet [4]. In einem 1 L Rührreaktor mit blasenfreier Membranbegasung beschrieben die Autoren Werte von maximal 6,4 h-1 und bei Oberflächenbegasung 3,1 h-1. In einem 8 L Taumelreaktor wurden kLa-Werte von maximal 13 h-1 ermittelt. Terrier et al. [5] berichten von Einwegsystemen mit einer wellenförmigen Bewegung von kLa-Werten bis 10 h-1 und einer neuartigen Blasensäule bis 17 h-1 in einem Maßstab von ca. 60 L Reaktionsvolumen. Damit positioniert sich der bio-t® bag im oberen Bereich bezüglich der Güte des Sauerstofftransport über die Phasengrenze hinweg. Die Weiterentwicklung wird deshalb mit biologischen Systemen fortgeführt. Erste Untersuchungen mit unterschiedlichen Zelltypen (CHO, Sf9) und Mikroorganismen (E. coli) erfolgten. Durch die Fähigkeit, Leistungseinträge des Mischorgans über einen großen Bereich zu variieren, sind Möglichkeiten ähnlich denen eines Standardrührreaktors gegeben.

Verwendetes Mischersystem
Begasungsrate [vvm] Sauerstoffübergangskoeffizient [kLa / h-1]
2 L bio-t® bag 0,05 26
0,1 38
1 82
10 L bio-t® bag 0,05 11
0,1 14
1 55
Tab. 1: kLa-Werte des bio-t® bag Mischsystems bei maximalem Energieeintrag

Ausblick

Die Weiterentwicklung des bio-t® bag wird mit diesen positiven Resultaten auf die folgenden Scale-up-Stufen ausgedehnt (50 L, 250 L, 1250 L). Neben weiteren physikalischen Parametern wie Mischzeiten liegt dabei der Fokus auf den lebenden Systemen sowie der Simulation der Strömungen am Computer.

Literatur

[1] Griffiths B. Scaling-up of animal cell cultures. In: Masters JRW (eds). Animal cell culture: A practical approach. 2000. Oxford University Press, Oxford. p. 19-68.

[2] Lewis WK und Whitman WG. Principles of gas absorption. Ind Eng Chem 16 (1924) 1215-1220.

[3] Pérez J, Montesinos JL, Gòdia F. Gas-liquid mass transfer in an up-flow cocurrent packed-bed biofilm reactor. Biochem Eng J 31 (2006) 188-196.

[4] Eibl R und Eibl D. Design and use of the Wave bioreactor for plant cell culture. In: Dutta S und Ibaraki Y (eds). Plant tissue culture engineering. 2006. Springer, Dordrecht. p. 203-227.

[5] Terrier B, Courtois D, Henault N, Cuvier A, Bastin M, Aknin A, Dubreuil J, Petiard V. Two new disposable bioreactors for plant cell culture: The wave & undertow bioreactor and the slug bubble bioreactor. Biotechnol Bioeng. 2006 Sep 27; [Epub ahead of print].

Abkürzungen

CHO XM 111: Transfizierte Zelllinie aus den Ovarien des chinesischen Hamsters (ETHZ Fussenegger-Gruppe)

E. coli: Escherichia coli

Sf9: Spodoptera frugiperda (Wildtyp, DMSZ)

kLa: Volumenspezifischer Sauerstoffübergangskoeffizient

vvm: Füllstandsnormierter Gasvolumenstrom

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