Zellrückhaltesysteme für Perfusionsprozesse

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Crossflow-Filtration – gute Zellrückhaltung, anfällig für Fouling

Bei der Crossflow-Filtration wird zellhaltiges Medium aus dem Bioreaktor gepumpt und tangential an einer Filtermembran entlang geleitet. Das Medium kann hierbei durch die Membran zellfrei abgezogen werden. Die Zellrückhaltung bei der Crossflow-Filtration ist sehr gut, jedoch gibt es, ähnlich wie beim Spinfilter, ein großes Fouling-Problem. Ein weiteres Problem stellen die hohen auf die Zellen wirkenden Scherkräfte dar.

Grund hierfür ist, dass die tangentiale Flussrate bis zu 500-fach höher sein muss, als die Flussrate des Erntestroms. Dies macht vor allem die Verwendung der Crossflow-Filtration bei großen Perfusionsvolumen schwierig. Zusätzlich wird bei Perfusionsraten ab 100 Litern eine so große Filteroberfläche benötigt, dass diese nur durch Hohlfasermodule realisierbar ist. Hohlfasermodule sind mit sehr großen Filterflächen verfügbar, sind aber ebenfalls anfällig für Fouling und Verblockung.

„Alternierende Tangentialer Fluss Technik“ – ideal für die Produktion

Die „Alternierende Tangentiale Fluss Technologie“ verwendet ebenfalls Hohlfasermodule zur Separation der Zellen. Das ATF-System wird an einen einzelnen Zugang an den Bioreaktor angebracht, zieht zellhaltiges Medium aus dem Reaktor durch das Hohlfasermodul in eine scherkraftarme Diaphragmapumpe und drückt dieses auf gleichen Wege in den Bioreaktor zurück. Hierbei variiert die Flussrichtung des Mediums durch die Filtermembran des Hohlfasermoduls in beide Richtungen, wodurch Zellen, welche sich zuvor an der Membran abgesetzt hatten, abgespült werden. Seitlich kann während dieses Vorganges absolut zellfreies Medium abgezogen werden.

Die Verweildauer der Zellen im ATF-System liegt bei maximal eins bis zwei Minuten. Aufgrund der scherkraftarmen Arbeitsweise dieses Systems, kombiniert mit einer großen nicht verstopfenden Filterfläche, können bisher unerreichte Zelldichten von bis zu 2x10⁸ Zellen pro Milliliter erzielt werden.

Zwar sind die Anschaffungskosten eines ATF-System relativ gering, aber die laufenden Kosten sind durch die Hohlfasermodule höher als bei manch anderen Systemen. Da ATF-Systeme aber eine hohe Separationsleistung garantieren und eine gute Skalierbarkeit von einem bis 2000 Litern Perfusionsvolumen aufweisen, werden diese in der Produktion gerne verwendet.

Welches System für welche Anwendung?

Für Universitäten oder Forschungsinstitute dürften die Spinfilter und die akustischen Settler am profitabelsten sein, dank günstiger Anschaffung und niedriger laufender Kosten. Sind sehr hohe Zelldichten erforderlich, ist hier der akustische Settler die bessere Wahl. Für Produktionsprozesse, bei denen hohe Zelldichten sowie eine gute Skalierbarkeit des Perfusionssystems gewünscht sind, stellt die ATF-Technologie die beste Lösung dar. Auch Zentrifugen, obwohl teuerer als andere Systeme, eignen sich für hohe Perfusionsvolumina.

* Der Autor ist Mitarbeiter bei IUL Instruments, Königswinter.

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