VL 3: Bioreaktoren

Apparate, in dem unter Mitwirkung von Biokatalysatoren Stoffwandlungen mit Enzymen, Mikroorganismen oder Zellen stattfinden

grundlegende Aufgaben:

• Homogenisieren gute Durchmischung ist erforderlich, um die für die biologische Reaktion optimalen Temperatur-, pH- und Substratkonzentrationsbereiche an jedem Ort im Bioreaktor sicherzustellen -> nur so kann Reaktorvolumen optimal genutzt werden

• Suspendieren feine Teilchen eines Feststoffes werden in einer Flüssigkeit gleichmäßig verteilt -> Zellen/ Mikroorganismen, die zur Produktherstellung genutzt werden; Substrate; Enzyme, die an Trägermaterialien gekoppelt vorliegen

• Dispergieren Homogenisierung von Stoffen oder die optimale Durchmischung wichtig wenn die Löslichkeit der für die biologische Umsetzung erforderlichen Gaskomponenten in der wässrigen Phase gering sind

• Energie- und Stoffaustausch mit der Umgebung Reaktionswärme und die in einen Bioreaktor eingetragene mechanische Leistung zum Homogenisieren, Suspendieren und Dispergieren, die als Wärme frei wird, muss über Wärmetauscher abgefüllt werden, um eine für die biologische Umsetzung geeignete Temperatur im Bioreaktor sicherzustellen

• Sterilbarriere Mindestverpackung, die das Eindringen von Mikroorganismen verhindert

Ein Bioreaktor muss so gestaltet und konstruiert werden, dass alle mit dem Reaktionsmedium im Kontakt kommende Oberflächen und der gesamte Reaktorinhalt sterilisierbar sind. Alle Stoffströme, die in den Bioreaktor hinein oder hinausgehen müssen sterilisierbar sein

Zum Homogenisieren, Suspendieren und Dispergieren müssen fluide Phasen im Bioreaktoren transportiert und intensiv in Kontakt gebracht werden, wofür Energie erforderlich ist

-> Bauformen von Bioreaktoren können daher nach Art des Energieertrages in Gruppen klassifiziert werden

Der Energieertrag erfolgt:

A) durch mechanisch bewegte Einabuten -> Rührkessel /Schüttelreaktore

B) durch Expansion einer Gasphase -> Blasensäulenreaktoren

C) durch einen Kreislauf mit Pumpe

Rohrleitungs- und Instrumentenfließschema in der Anlagen- und Verfahrenstechnik

-> symbolische Darstellung aller für den Betrieb einer Anlage erforderlichen Bauteile: Behälter, Apparate, Pumpen, Verdichter, Wärmeübertrager (Wärmetauscher), Rohrleitungen, Armaturen und Messgeräte

1. Welche Art von Bioreaktor liegt vor?

2. Worüber wird geheizt?

3. Wird der Reaktor belüftet? Wenn ja liegen aerobe Bedingungen vor, wenn nein liegen anaerobe Bedingungen vor

4. Welche Begasung liegt vor? Bsp Luft als O2-Quelle

5. Welche Stoffe werden eingeleitet? Bsp Medium mit Tyrosin oder Glucose als Kohlenstoffquelle

6. Wo werden Gase abgeleitet?

7. Ernte-Vorgang -> in welchen Schritten werden herzustellende Proteine/Peptide in Fermentationsbrühe durch Filtration geleitet, in welchen Schritten wird was im Retentat zurückgehalten und was wird im Permeat weitergeleitet

Rührreaktor

Rohr

Temperiertes Rohr

Beheizt

Filter

Filtermembran -> Membranreaktor

Pumpe

Verdichter/ Kompressor/ Vakuumpumpe

Heizelement

Kühler

Ventilator

Kondensator

Druckminderer

Absperrklappe

Kugelhahn

Ventil

Nicht weiter spezifiziert

Manuelles Ventil

Stellverntil

Von Regelmeschanismen automatisch gesteuert

Membranventil

Mischventil

• ein bioreaktor muss so gestaltet und konstruiert werden, dass alle mit dem Reaktionsmedium in Kontakt kommenden Oberflächen und der gesamte Reaktorinhalt sterilisierbar sind

• alle Stoffströme, die in den Bioreaktor hinein oder hinausgehen müssen sterilisierbar sein

• Fermentationsprozess darf nicht durch Fremdorganismen gestört werden

• vor Prozessstart müssen Bakterien, Sporen & Viruspartikel möglichst vollständig abgetötet bzw. Inaktiviert werden

• während Betrieb dürfen keine prozessfremden Organismen in die Anlage gelangen und den Bioprozess stören

• wird mit Pathogenen oder gentechnisch modifizierten Organismen gearbeitet, ist durch technische Maßnahmen sicherzustellen, dass keine Organismen und Stoffe in die Umgebung gelangen

Frei von störenden Organismen müssen folgende Systeme sein:

1. alle zugeführten Stoffe (Substrat, Nährstoffe, Pufferlösungen, Gase)

2. Bioreaktor und die dazugehörige Peripherie

3. Stoffe bzw Stoffströme, die den Bioreaktoranlagenbereich verlassen

• Sterilisation mittels Hitze (z.B Autoklav)

• Bestrahlung mit gamma- oder Elektronenstrahlen

• Sterilfiltration (z.b Medium)

• Chemische Sterilisation (z.B Desinfektion)

1. Vorspülen mit Wasser

2. Alkalische Reinigung

3. Zwischenspülen mit Wasser

4. Saure Reinigung

5. Ausspülen mit Wasser

6. Sterilisation mit gesättigtem Wasserdampf

Sterilluft nötig für:

• Fermentation und keimfreie Abfüllanlagen

• belüften des Tanks nach der Dampfsterlilisation

Andere Beispiele für sterile Gase:

• Stickstoff bei oxidationsanfälligen Substraten oder Produkten

• Sauerstoff für Pateinte mit Atembeschwerden

• Kohlendioxid für karbonisierte Getränke

Gasfilter können aus Cellulose, Glas-Wolle-Mischungen, PVDF oder PTEE bestehen

Messsystem, das die Erfassung einer Messgröße, die Verstärkung und die Umwandlung in ein elektrisches Signal kombiniert

Zu den im Bioreaktor genutzten Sensoren gehören auch die Biosensoren

• werden direkt in den Prozess eingebracht und müssen für biotechnologische Prozesse sterilisierbar sein

• liefern kontinuierliche Messwerte aus dem Bioreaktor, haben jedoch sensortypische Ansprechzeiten

Problem: Fouling-Effekte können Ansprechzeiten und die Sensitivität beeinflussen

• Sensor wird außerhalb des Reaktors in einen Probenstrom eingesetzt

• entnimmt kontinuierlich Proben aus dem Reaktor

• Probeentnahme aus Bioreaktor über Filtrationsmodule, die eine repräsentative Probe aus dem Reaktor zum Sensor befördern

• Probe muss Zusammensetzung des Bioprozesses entsprechen, woraus sich Probleme ergeben

Vorteile: Sensor kann jederzeit kalibriert oder ausgetauscht werden, ohne Bioprozess zu stören

On-line-Analytik: in situ-Sensoren werden kontinuierlich an einem Bioprozess eingesetzt

at-line-Analytik: es werden bei der ex-situ-Analyse Fließinjektionsanalysesysteme oder komplexe Analyseverfahren wie HPLC, GC/MS und die Durchflusszytometrie eingesetzt

• in pH-Einstabsmessketten ist die ph-Elektrode mit einer Referenzelektrode kombiniert

• in der Elektrode werden der Bezugselektrolyt und die Ableiotungselektrode durch eine Glasmembran von der Probenlösung getrennt

• Das Potenzial der Ableitungselekrode muss gegen eine in die Probenlösung eintauchende Bezugselektrode gemessen werden

• in der Elektrode selbst, misst die Ableitungselektrode die an der Glasmembran entstehende elektrische Spannung, die von der H+ und damit vom pH der Lösung abhängt

• E0 hängt von der verwendeten Glasart und der Zeit ab, d.h. Glaselektroden verändern ihr Potential geringfügig im Laufe der Monaten bzw Jahren

• DIe Messung erfolgt daher in der Praxis nach Eichung der Glaselektrode mit Pufferlösungen bekannten pH-Wertes

=> Je kleiner die Konzentration von H+, desto höher der pH-Wert bsp: 10-4 pH4; 10-13 pH 13

• Zellzählung (z.b Neubauer Kammer)

• Biotrockenmassekonzentration (Masse/Volumen)

• Mikroskopisch

-> Zellsuspension fließt im inneren des Reaktors durch einen Spalt zwischen Beleuchtungseinheit und Objektiv

-> eine CCD-Kamera erfasst die Bilder, die von einem System ausgewertet werden

-> Gut für Tierzellkultivierung, erfasst neben Zellzahl und der Zellgröße auch Morphologie

-> Problem: nur wenige Zellen pro Bild, Auswertung schwierig bei hoher Zelldichte