Was sind Benchtop Fermentatoren und Bioreaktoren?

Was sind Laborfermenter und Bioreaktoren? Design, Steuerung und Scale-Up im Labormaßstab

Was ist ein Laborfermenter oder Bioreaktor und wofür wird er verwendet?Ein Laborfermenter oder Bioreaktor ist ein Kultivierungsgefäß im Labormaßstab mit einem Arbeitsvolumen von etwa 0,5-20 L, das die kontrollierte Umgebung eines Produktionsfermenters auf einer Laborbank reproduziert. Er regelt kontinuierlich vier Variablen: Temperatur zwischen 4 und 80 °C auf ±0,1 °C genau, pH-Wert zwischen 2,0 und 12,0 auf ±0,01 genau durch automatisierte Säure- und Basenzugabe, gelösten Sauerstoff zwischen 0 und 100 % Luft sättigung auf ±1 % genau durch kaskadierte Rührung, Belüftung und Sauerstoffanreicherung sowie Schaum durch Antischaumdosierung oder mechanischen Brecher. Die Rührgeschwindigkeit reicht von 50-1.200 U/min und die eingeleitete Luft von 0,1-2,0 vvm, was einen kLa von 20-250 h-1 ergibt.

1. Designmerkmale, die die Datenqualität bestimmen

Ein Laborgerät ist ebenso ein Messinstrument wie ein Reaktor. Drei Designentscheidungen trennen ein System, das übertragbare Scale-Up-Daten liefert, von einem, das nur Zellen wachsen lässt:

• Gefäßgeometrie und Impeller-Kombination: Reproduzierbare Arbeiten erfordern geometrische Ähnlichkeit mit dem Produktionsgefäß: ein Höhen-zu-Durchmesser-Verhältnis von 2:1 bis 3:1, ein Impeller-zu-Tank-Durchmesser-Verhältnis von 0,33-0,50 und vier Leitbleche bei T/10. Die meisten Laborgeräte verfügen über zwei Impeller, eine untere radiale Rushton-Turbine zur Gasdispersion und einen oberen axialen Hydrofoil zur Hauptmischung. Eine magnetische Kupplung vom Antriebsmotor zur Welle vermeidet die mechanische Dichtung, die bei diesem Maßstab der häufigste Leck- und Kontaminationsweg ist, und ermöglicht die Autoklavierung des gesamten Gefäßes bei 121 °C für 20-30 Minuten.
• Sensorpaket und Regelkreise: Standardinstrumentierung umfasst eine polare oder optische DO-Sonde, eine dampfsterilisierbare, gelgefüllte pH-Elektrode, ein Pt100-Widerstandsthermometer und einen Abgasanalysator für Sauerstoff und Kohlendioxid. Die Abgasmessung macht das Gefäß zu einem Kalorimeter: OUR und CTR, abgeleitet aus der Einlass- und Auslassgasbilanz, zeigen Stoffwechselschichten Stunden vor ihrem Erscheinen in der Brühe an. Fortschrittliche Geräte fügen Kapazitätssonden für das Volumen lebensfähiger Zellen, Raman- oder NIR-Spektroskopie für Glukose, Laktat und Titer sowie eine Abluftmassenstromregelung für eine exakte Gasbilanzierung hinzu.
• Paralleler Betrieb und Automatisierung: Die moderne Prozessentwicklung läuft selten mit einem Gefäß gleichzeitig. Parallele Bioreaktorsysteme integrieren 4, 8, 16 oder 24 Gefäße von 0,25-2 L unter einem einzigen SCADA-Host, mit individueller Gasaufbereitung, gefäßspezifischer Fütterung und automatisierter Probenahme. Dies macht statistische Versuchsplanungen praktikabel: ein vollständiger Faktor auf pH, Temperatur und Futterrate, der auf einem einzelnen 5-L-Gefäß 18 Monate dauern würde, ist in drei Wochen abgeschlossen. Die Software muss 21 CFR Part 11-konforme elektronische Aufzeichnungen unterstützen, mit Benutzerzugriffskontrolle und einer unveränderlichen Audit-Trail.

2. Vom Labor zur Anlage: Die Scale-Up-Regeln

Scale-Up schlägt fehl, wenn sich der steuernde Mechanismus zwischen den Maßstäben ändert. Drei Kriterien werden verwendet, um die Leistung zu erhalten, und das richtige hängt davon ab, welcher Mechanismus den Prozess begrenzt:

• Konstanter kLa oder konstante OTR: Für aerobe mikrobielle Prozesse, die durch die Sauerstoffversorgung begrenzt sind, halten Sie den volumetrischen Stoffübergangskoeffizienten konstant, typischerweise 50-200 h-1. Da kLa ungefähr mit (P/V)^0,4 · (vs)^0,5 skaliert, bedeutet die Beibehaltung eines konstanten kLa bei einer 1.000-fachen Volumenvergrößerung, dass die Leistung pro Volumen sinkt und die oberflächliche Gasgeschwindigkeit steigt, so dass das große Gefäß mit einer niedrigeren Rührgeschwindigkeit, aber höherer Belüftung betrieben wird. Bestätigen Sie dies durch Messung von kLa in beiden Maßstäben mit der dynamischen Gasausblasungsmethode anstelle der Annahme einer Korrelation.
• Konstante Leistung pro Volumen (P/V) oder Spitzengeschwindigkeit: Für scherempfindliche Säugetier- und Pflanzenzellen halten Sie die Spitzengeschwindigkeit unter etwa 1,5 m/s und P/V zwischen 0,01 und 0,10 kW/m3, da Zellschäden mit der lokalen Energieableitungsrate in der Nähe des Impellers und nicht mit dem Gefäßdurchschnitt korrelieren. Für Prozesse, bei denen die Mikromischung die Selektivität steuert, wie z. B. schnelle parallele oder serielle Reaktionen, halten Sie die Mischzeit oder die turbulente Dissipationsrate konstant, was normalerweise bedeutet, dass eine viel höhere P/V im Anlagengefäß akzeptiert wird.
• Konstante Mischzeit und geometrische Ähnlichkeit: Die Mischzeit in einem turbulenten Rührbehälter skaliert ungefähr mit dem Kehrwert der Rührgeschwindigkeit mal (D/T)^2, so dass ein Laborgefäß, das in 5 s mischt, bei 20.000 L 30-60 s benötigen kann. Wo eine Fed-Batch-Zufuhrwolke lokale pH- oder Substratgradienten erzeugt, ist dieser Unterschied wichtig: eine 100-fache Konzentrationsspitze am Zufuhrpunkt kann einen Überlaufstoffwechsel auslösen, obwohl der Gefäßdurchschnitt korrekt aussieht. Scale-Down-Modelle, die den Gradienten des Großgefäßes in einem Labor-Zwei-Kompartiment-System reproduzieren, sind der Standardweg, um dies vor der ersten Anlagencharge zu de-risken.

Vergleichsmatrix der Klassen von Laborfermentern und Bioreaktoren

Häufig gestellte Fragen (FAQ)

F: Was ist der Unterschied zwischen einem Laborfermenter und einem Laborbioreaktor?

A: In Katalogen für Laborgeräte beschreiben die beiden Namen dasselbe Instrument, und die Anbieter wählen die Bezeichnung je nach Zielmarkt. Fermenter wird verwendet, wenn der beabsichtigte Organismus mikrobiell ist und das Produkt ein Metabolit, Biomasse oder Alkohol ist. Bioreaktor wird verwendet, wenn das System eine höhere Sterilitätssicherheit, Säugetier- oder Insektenzellkulturen oder eine größere Bandbreite an kontrollierten Variablen wie Perfusionsrate, Redox oder lebensfähige Zelldichte unterstützen muss. In der Praxis dient eine gut spezifizierte 5-L-Einheit mit einem 0,2 µm-Abluftfilter, kaskadierter gelöster Sauerstoffregelung und dampfsterilisierbaren pH- und DO-Sonden ohne Modifikation beiden Zwecken.

F: Wie wähle ich zwischen einem Glasgefäß und einem Edelstahl-Laborgefäß?

A: Wählen Sie autoklavierbares Glas für Screening-Arbeiten, bei denen Sie die Brühe sehen müssen, die Geometrie häufig ändern und die Kapitalkosten niedrig halten möchten, typischerweise 0,5-10 L bei Drücken bis zu 0,15 MPa. Wählen Sie Edelstahl, wenn Sie eine In-situ-Sterilisation, höheren Druck bis 0,35 MPa, CIP-Integration oder eine Geometrie benötigen, die maßlich identisch mit dem Produktionsgefäß ist, was unerlässlich ist, wenn die Daten das Scale-Up bestimmen sollen. Edelstahl verträgt auch aggressive Lösungsmittel, hohe Salzgehalte und wiederholte alkalische Reinigung ohne das Risiko der Glasätzung, die Benetzungs- und Wärmeübertragungseigenschaften langsam verändert.

F: Warum schlägt mein Scale-Up fehl, auch wenn kLa übereinstimmt?

A: Weil kLa eine gefäßdurchschnittliche Zahl ist und die Zelle eine lokale Umgebung erfährt. Bei 20.000 L erhöht sich die Mischzeit um ein Vielfaches, so dass Zufuhrwolken von konzentrierter Glukose oder Base vorübergehende Zonen mit hohem pH-Wert oder hoher Osmolalität erzeugen, die einen Überlaufstoffwechsel, Acetat- oder Laktatanhäufung und reduzierte Lebensfähigkeit auslösen. Der Sauerstoffpartialdruck steigt auch mit dem hydrostatischen Druck am Boden eines hohen Gefäßes, während die Kohlendioxidentgasung schwieriger wird, so dass gelöstes CO2 100-150 mmHg überschreiten und das Wachstum hemmen kann. Die Reproduktion dieser Gradienten in einem Scale-Down-Modell und die anschließende Änderung des Zufuhrpunktstandorts, der Zufuhrkonzentration oder der Impellerkonfiguration lösen die meisten dieser Fehler.

F: Welche Versorgungsleistungen benötigt ein Laborsystem?

A: Eine typische 5-L-Glas- oder Edelstahleinheit benötigt eine 220-V-Einphasenversorgung von 1-2 kW, Druckluft bei 0,3-0,6 MPa und 5-20 L/min, Sauerstoff und Stickstoff für die Gasaufbereitung, wenn Anreicherung oder DO-Kaskade verwendet wird, Kohlendioxid oder ammoniakfreie Base und Säure zur pH-Regelung, Kühlwasser bei 5-15 °C und 2-5 L/min für Kondensator- und Mantelkühlung sowie eine Dampfquelle oder ein Autoklav zur Sterilisation. Edelstahleinheiten mit In-situ-SIP benötigen zusätzlich Rein-Dampf bei 0,25-0,35 MPa. Abwasserkapazität und ein Abzugs- oder biologischer Sicherheitskasten werden normalerweise übersehen und sollten vor der Installation überprüft werden.

Tags: Edelstahlreaktor, Chemischer Reaktorsystem, Industrieller Chemischer Reaktor