Bioreaktoren Aufrechterhaltung der thermischen Stabilität ist bei Bioreaktoren das A und O

Bioreaktoren spielen für die Entwicklung neuer Verfahren eine entscheidende Rolle. Da biologische Prozesse jedoch stark von der Temperatur abhängen, ist eine exakte Temperatursteuerung von grundlegender Bedeutung.

Anbieter zum Thema

MASCHINENFABRIK GUSTAV EIRICH GMBH & Co KG

WIKA Alexander Wiegand SE & Co. KG

Endress+Hauser (Deutschland) GmbH+Co. KG

Thermo Fisher Scientific

Bioreaktoren sind Gefäße, in denen chemische Prozesse unter Beteiligung von Organismen oder biochemisch aktiven Substanzen stattfinden. Sie eignen sich für zahlreiche Zwecke. Eine Prozessoptimierung ist sehr wichtig für zahlreiche Anwendungsgebiete, die effektive Bedingungen für Wachstum und Vermehrung von Mikroorganismen verlangen. Dazu gehören Bakterien und Hefezellen, die in der biotechnologischen Produktion von Arzneimitteln, Antikörpern und Impfstoffen Verwendung finden. Ein weiteres Einsatzgebiet ist die Biokonversion von organischen Abfällen. Für einen optimalen Ablauf solcher bioaktiver Vorgänge müssen das Milieu und die Prozessbedingungen von Bioreaktoren, d.h. Gasfließrate, Temperatur, pH-Wert, Gehalt an gelöstem Sauerstoff und Rührgeschwindigkeiten, streng überwacht und gesteuert werden.

Zu den Schlüsselvariablen gehört dabei die Feinregulierung der Temperatur, um zuverlässige und konsistente Daten zu gewährleisten. Denn für einzelne Chargen ist unter Umständen ein enger Temperaturbereich mit genauer Einstellung und raschem Anstieg auf bestimmte Temperaturwerte vorgegeben. Die einzelne Charge kann sowohl exotherme Reaktionen mit Kühlbedarf als auch endotherme Reaktionen mit Heizbedarf erfordern, um eine durchgängig stabile und präzise Temperatur zu gewährleisten.

Es wird zwischen Bioreaktoren mit Batch- und Fed-Batch oder kontinuierlicher Methode unterschieden. Beim Batch-Bioreaktor werden Reagenzien und Katalysatoren in ein geschlossenes System eingebracht, beim kontinuierlichen System wird durch den dauernden Zulauf ein Fließgleichgewicht angestrebt. Eine Zwischenform stellt der Fed-Batch-Bioreaktor dar. Hier wird der Vorgang wie beim Batch-Reaktor initiiert, doch wenn das anfängliche Substrat aufgebraucht ist, werden Reagenzien nachgefüllt.

Der Batch-Bioreaktor

Der gängigste Typ sind Batch-Bioreaktoren. Diese werden in der Regel aus Edelstahl oder Glas hergestellt und müssen vor Gebrauch sterilisiert werden. Anschließend wird Nährmedium in den Bioreaktor hinzugefügt. Vor der Inokulation mit den Zellkulturen müssen die Temperaturen stabilisiert werden. Bei der Kombination mit einem Filtrationsprozess können Verunreinigungen mit Membranfragmenten eine negative Auswirkung auf die Sterilität und Effizienz des Bioreaktors haben. Dies betrifft besonders die Wärmetauscher, die für die Aufrechterhaltung einer konsistenten Temperatur der Reaktion sorgen müssen.

Biologische Fermentationen sind hochgradig exotherme Reaktionen, daher benötigen Bioreaktoren in den meisten Fällen eine Kühlquelle, d.h. eine externe Ummantelung und/oder einen Umwälzkühler.

Die Anforderungen der Kultur können eine Bewegung des Nährmediums mittels Rührer oder Gaseinlass (Sauerstoff, Stickstoff) vorschreiben, wobei Nebenprodukte entfernt werden, darunter z.B. Kohlendioxid. Rühren fördert auch die Mischung der Flüssigkeit, um eine gleichmäßige Temperaturverteilung und gesteigerte Homogenität zu erzielen.

Es gibt drei allgemeine Prozesse, die in einem Bioreaktor ablaufen:

• Zelluläre Produktion: Extrazelluläre Produkte bestehen aus Alkohol und Zitronensäure, intrazelluläre aus primären und sekundären Metaboliten (Aminosäuren, Proteine, Lipide) sowie Enzymen.

• Wachstum der Zellmasse: Dazu gehören Backhefe und einzelne Zellproteine für den Gebrauch in der Nahrungsmittelerzeugung.

• Biotransformation: Oft werden Zellenzyme im Rahmen des Fermentationsprozesses eingesetzt, um Verbindungen zu modifizieren. Dazu gehören Steroide, Antibiotika und Prostaglandine.

Optimierung der Temperatur

Um die Temperatur bei exothermen und endothermen Reaktionen mit geeigneten Geräten zu steuern, sind viele Auswahlkriterien zu berücksichtigen. An erster Stelle muss der zulässige Temperaturbereich bestimmt werden.

• Wird ein kleines Gefäß (zehn Liter oder kleiner) in Kombination mit einem Temperaturbereich von 13 °C über Umgebungstemperatur (also ein Sollwert von 33 °C bei einer Raumtemperatur von 20 °C) eingesetzt, so dürfte ein Umwälzthermostat ausreichen, um die Last bei endothermen, exothermen und statischen Reaktionen zu bewältigen.

• Bei größeren Gefäßen, die noch aufgeheizt werden müssen, können Schritte zur Temperatursteuerung anfallen. Neben der Erwärmung auf die vorgeschriebene Anfangstemperatur ist hierbei auch die Kühlkapazität zu berücksichtigen.

• Liegt der niedrigste Punkt nahe bei oder unter der Umgebungstemperatur, wobei exotherme Reaktionen oder eine kontrollierte Abkühlung vorgeschrieben sind, sind ein Umwälzthermostat mit Kühlung (bei kleinen Gefäßen) oder ein größerer Umwälzkühler erforderlich.

Berechnung der Wärmekapazität

Um die erforderliche Erwärmung oder Kühlung genau zu berechnen, muss die Wärmekapazität (einschließlich der spezifischen inneren Energie) bestimmt werden. Die Berechnung muss alle Komponenten einschließen, die erhitzt oder gekühlt werden müssen, also das Nährmedium, den Bioreaktor, das Wärmetauschermedium in der Ummantelung sowie die Schläuche und das Temperatursteuerungsgerät selbst.

Es gilt:

Q = m·c·ΔT mit Q = thermische Energie, die zugeführt bzw. entzogen wird [J], m = Masse der Substanz [kg], c = spezifische Wärme der Substanz [J/(kg·K)], ΔT = Temperaturänderung [K].

Sobald der gewünschte Temperaturbereich bestimmt wurde, kann errechnet werden, welche zusätzliche Erwärmung oder Abkühlung über die Zeit benötigt wird, um Probleme wie unzureichende Wärmeübertragung oder Wärmeaufnahme bzw. -abgabe an die Umgebung zu kompensieren.

Ein in das Nährmedium integrierter externer Temperaturfühler kann die Temperatursteuerung ebenfalls vereinfachen. Durch diesen Sensor kann der Umwälzkühler das innere Milieu erfassen und steuern, um optimale Bedingungen aufrechtzuerhalten. Dies gestattet den Betrieb bei niedrigeren Manteltemperaturen, was wiederum die Temperaturveränderung beschleunigt.

Angenommen ein Umwälzkühler ohne externen Temperaturfühler mit einem Startpunkt von 20 °C soll einen Sollwert von 10 °C erreichen. Hierbei sinkt die Kühlrate in dem Maß, wie sich die Innentemperatur der Manteltemperatur nähert, um ins Gleichgewicht zu kommen. Dementsprechend ist ohne externen Temperaturfühler die Wahrscheinlichkeit hoch, dass die Solltemperatur von 10 °C in der Charge nie erreicht wird. Die Durchflussgeschwindigkeit im Mantel ist zwar kein kritischer Punkt, doch oft werden aus Effizienzgründen höhere Geschwindigkeiten bevorzugt.

Aussagekräftige Daten

Folgende Berechnungen der spezifischen inneren Energie gelten für einen 50-Liter-Reaktor aus Edelstahl, der 100 Kilogramm wiegt; gegeben sind darüber hinaus fünf Liter in der Ummantelung, sieben Liter im Umwälzkühler, drei Liter in den Schläuchen sowie eine Temperaturdifferenz ΔT von 10 °C (entsprechend 10 K):

Für das Nährmedium gilt (um dieselben Werte wie Wasser zu verwenden, liegt eine wasserbasierte Lösung vor):

50 L = 50 kg

50 kg x 4,187 kJ/(kg·K) x 10 K = 2093,50 kJ Für das Wasser in Ummantelung, Schläuchen und Umwälzkühler gilt:

15 L = 15 kg

15 kg x 4,187 kJ/(kg·K) x 10 K = 628,05 kJ Für den Bioreaktor:

100 kg x 0,461 kJ/(kg·K) x 10 K = 461,00 kJ Die innere Energie, die abgeführt werden muss, beträgt daher insgesamt 3182,55 kJ. Da die Kühlleistung der Umwälzkühler in der Regel in Wattstunden angegeben wird, gilt:

3182,55 kJ x 0,277 Wh/kJ = 881,57 Wh Um in einer Stunde eine Temperatursenkung von 10 °C zu erzielen, wird also ein Umwälzkühler mit der Kühlkapazität von rund 882 Wh benötigt. Um die spezifische innere Energie auf unterschiedliche Zeitrahmen umzurechnen, wird einfach der Wert für eine Wattstunde durch die neue Zeitspanne dividiert.

Zusätzliche Faktoren

In obigen Berechnungen werden allerdings weder Probleme bei der Wärmeübertragung noch Wärmeaufnahme/-verlust aus der Umgebung berücksichtigt. Diese Probleme sind auf langsames oder fehlendes Rühren, den Gebrauch von Werkstoffen mit geringer Wärmeübertragung (z.B. Glas) und unzureichende Isolationen zurückzuführen. Die Optimierung von Bioreaktoren mit geringer Wärmeübertragung kann durch die Nutzung der Temperaturdifferenz erfolgen, d.h. mit einem ΔT-Wert, der die Energieübertragung von hohen auf niedrige Konzentrationen zwischen Ummantelung und Nährmedium fördert.

Daher müssen die Temperaturen in der Ummantelung überwacht und begrenzt werden, um ein Gefrieren oder Überhitzen der Zellkulturen zu vermeiden. Diese Begrenzung kann den experimentellen Zeitrahmen auch bei Einsatz optimaler Heiz- und Kühlgeräte verlängern. Umwälzkühler wie der rezirkulierende Thermo Scientific ThermoFlex können deshalb an externe Temperaturfühlern angeschlossen werden, um eine Beeinträchtigung der Zellkulturen durch extreme Temperaturschwankungen zu verhindern.

Optimale Isolierung ist wichtig

Problematischer ist der Ausgleich der Wärme, die an das äußere Umfeld abgegeben oder von dieser aufgenommen wird. Denn es fallen zahlreiche Variablen ins Gewicht, darunter Oberflächen und Oberflächenneigung sowie Lufttemperatur und -strömung im Laborraum. Daher sind optimale Isolierungsmaßnahmen zu empfehlen. Sollte dies nicht möglich sein, können nur die Herstellerangaben zuverlässige Hinweise auf den Bedarf an zusätzlicher Heiz-/Kühlkapazität liefern. Ohne Isolation kann ein ansonsten angemessen dimensionierter Umwälzkühler unter Umständen die Solltemperatur nicht erreichen. In allen Fällen sollte die Fließrate so hoch gehalten werden, wie es die Druckbelastbarkeit des Gefäßes und die Durchflussleistung der Pumpe gestatten.

* Der Autor ist Mitarbeiter bei Thermo Fisher Scientific.

(ID:25110850)