Zeta optimiert Stofftransport mit Mess- und Rührtechnik

Sauerstoff gelöst, Problem gelöst

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23.05.2018 Die Produktivität in biotechnologischen Prozessen der Pharmaindustrie hängt stark von der Viabilität ab – also davon, welcher Anteil der Mikroorganismen oder tierischen Zellkulturen tatsächlich überlebt.

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Entscheider-Facts für Betreiber

  • Klassische Rühr- und Messtechniken in Bioreaktoren führen häufig nicht zu einer optimalen Sauerstoff-Versorgung der Mikroorganismen und Zellkulturen.
  • Eine neue Technologie kombiniert nun eine optimierte kLa-Messmethode mit Magnetrührwerken im Industriemaßstab und ermöglicht eine höhere Produktqualität und -ausbeute sowie Prozesssicherheit.
  • Die Messtechnik ist ohne strukturelle Änderungen auch in bestehenden Anlagen einsetzbar.
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Die kLa-Messung ermöglicht die umfassende
Charakterisierung des Bioreaktors sowie die genaue Bestimmung der Prozessparameter.
(Bild: Zeta)

Ein intelligentes Design des Bioreaktors sorgt dafür, dass genügend gelöster Sauerstoff verfügbar ist, den die aeroben Kulturen verstoffwechseln können.

Prozesse in Bioreaktoren unterliegen einem komplexen Netzwerk aus Einflussfaktoren, in dem zwei Parameter eine maßgebliche Rolle spielen: eine effiziente Rührwerksleistung sowie das zuverlässige Bestimmen des kLa-Werts. Dieser beschreibt die Effizienz des Gastransfers von der Gasphase in die Flüssigkeit. Denn nur Gelöstsauerstoff ist für die Zelle verwertbar. Die beiden Faktoren – Rührwerk und kLa-Wert – sind bei der biotechnologischen Herstellung von pharmazeutischen Produkten sowohl im großen Industrie- als auch im Pilot- oder Labormaßstab von herausragender Bedeutung. Die Produktionsprozesse basieren vorwiegend auf Mikroorganismen und tierischen Zellkulturen. Eine maximale Produktausbeute kann nur durch optimale Wachstumsbedingungen im Bioreaktor und damit durch einen hohen Biomasseanteil erreicht werden. Eine der wichtigsten Voraussetzungen ist die ausreichende Sauerstoffversorgung für die Zellatmung, damit in weiterer Folge Energie in Form von Adenosintriphosphat (ATP) produziert werden kann. Die Nährstoffversorgung sowie die Entsorgung von Metaboliten und Abfallstoffen müssen sichergestellt sein. Und auch pH und Temperatur sind entscheidende Parameter in einem Bioreaktor. Zu all diesen grundlegenden Erfordernissen für die Zelle kommen die Bedürfnisse der Anlagenbetreiber, wie Produktspezifikation, -ausbeute, Produktionsvolumen oder die Reproduzierbarkeit (von Batch zu Batch), für die passende Lösungen gefunden werden müssen. Eine weitere Herausforderung stellt die Skalierung vom Labor- in den Produktionsmaßstab (und umgekehrt) dar, da eine Veränderung einzelner Parameter sich hier signifikant auf die Produktionsleistung auswirkt.

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Mit der Technologie ist es möglich, biotechnologische Prozesse im Industriemaßstab (hier die biotechnologische Antikörperproduktion) zu optimieren.

kLa-Wert als Schlüsselparameter

Bei all diesen Anforderungen bedarf es für eine gute Produktionsleistung oft maßgeschneiderter Lösungen, was auch eine umfassende Charakterisierung des Bio-reaktors sowie die genaue Bestimmung der Prozessparameter beinhaltet. Ein geeignetes Instrument dafür ist unter anderem die Messung des kLa-Werts. Sauerstoff wird gasförmig über einen sogenannten Sparger in den Bioreaktor eingebracht und durch entsprechende Rührleistung gelöst. Abgesehen von der Rührleistung hängt der kLa-Wert aber auch von zahlreichen anderen hydrodynamischen Faktoren ab: Mediumbestandteile, Temperatur, pH, Leitfähigkeit, Viskosität, Geometrien des Bioreaktors und Rührers, und viele andere haben Einfluss und erschweren eine genaue Prognose des Werts durch Kalkulationen vorab. Umgekehrt lässt der kLa-Wert aber auch Rückschlüsse darauf zu, in welcher Form Prozessparameter wie Rührer-leistung, Begasungsvolumen, oder Kultivierungsstrategien wie Induktionszeitpunkte- und Feedvolumina optimiert werden können. Im laufenden Bioreaktor wird der kLa-Wert durch Sauerstoffsensoren bestimmt. Das Problem dabei war bisher, dass der Wert an nur einem Punkt des Reaktors – am Probengürtel nahe dem Boden – gemessen wurde. Eine Messung am Boden ist jedoch häufig nicht ausreichend, da die Verteilung an Gelöstsauerstoff im Bioreaktor stark variiert. Dies gilt gerade dann, wenn die Rührleistung nicht optimal ist. Auftretende Gasblasen können zudem das Messergebnis verfälschen.

Heftausgabe: Juni 2018
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Dr. Thomas Maischberger ist Process Engineer und Projektentwickler bei Zeta Biopharma.

Über den Autor

Dr. Thomas Maischberger ist Process Engineer und Projektentwickler bei Zeta Biopharma.
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