Characterization and application of large disposable shaking bioreactors

• Charakterisierung und Anwendung der großen geschüttelten Wegwerfbioreaktoren

Raval, Keyur; Büchs, Jochen (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2008)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2008

Kurzfassung

In dieser Forschungsarbeit wird die Anwendung eines geschüttelten Bioreaktorsystems im Pilotmaßstab dargestellt. Diese sehr einfache, vielfältige und allgemein verwendbare Technologie wurde mit zylinderförmigen Einwegreaktoren kombiniert, um sie zu einer idealen Wahl für die Kultivierung von Pflanzen-, Tier- und Insektenzellkulturen zur Produktion im Pilotmaßstab zu machen. Die zylinderförmigen Reaktoren der Größe 2L, 20L und 50L wurden in Bezug auf wichtige Betriebseigenschaften wie Mischen, Leistungseintrag, Wärmeübertragungsrate und Sauerstofftransferrate eingehend charakterisiert. Die vollständige Vermischung der Flüssigkeit wurde innerhalb weniger Sekunden bei einer Schüttelfrequenz von 80 U/min erreicht. Die Leistungsaufnahme von Flüssigkeiten, deren physikalische Eigenschaften sich nicht drastisch mit der Temperatur verändern, wurde durch die Temperaturmethode gemessen. Die Methode wurde modifiziert, um die Änderungen physikalischer Eigenschaften der Flüssigkeiten mit der Temperatur zu berücksichtigen, wie z.B. die Viskosität und die Dichte. Betriebsbedingungen, in denen eine sehr schlechte Vermischung beobachtet werden konnte, wurden identifiziert und der Leistungseintrag des Reaktorsystems dimensionslos beschrieben. Hohe Wärmeerzeugungsraten wurden in 20L- und 50L-Reaktoren, besonders für Schüttelfrequenzen über 230 U/min beobachtet. Experimente zeigten eine maximale Zunahme der Flüssigkeitstemperatur für Wasser und für ein 80%-Glycerol-Wasser-Gemisch von 16 K bzw. 30 K bei 300 U/min. Während eine vollständige Belüftung für langsam wachsende Tier- und Insektenzellkulturen nicht zwingend erforlich ist, ist eine vollständige Belüftung mit Umgebungsluft jedoch besonders für Hochzelldichte-Kultivierungen schnell wachsender Pflanzenzellkultursysteme wie z.B. Nicotiana tabacum notwendig, um eine Temperaturbeanspruchung zu vermeiden. Die Sauerstofftransferrate wurde durch die gut erforschte Sulfitoxidationsmethode gemessen. Die maximalen Sauerstofftransferraten, die im 20L- und 50L-Reaktor gemessen wurden, waren 0.032 mol/L/h bzw. 0.028 mol/L/h. Der Stofftransferkoeffizient wurde mit der Energiedissipation korreliert. Die Maßstabsvergrößerung eines Produktionsprozesses für ein therapeutisches Protein, basierend auf Nicotiana tabacum Pflanzenzellsuspensionskultur, wurde erfolgreich vom 250mL-Schüttelkolben zum 50L Einwegbioreaktor durchgeführt. Die Maßstabsvergrößerung zum 2L-Einwegbioreaktor für einen Prozess zur Kultivierung tierischer Zellen, basierend auf hybridoma-cmyc Zellen, war ebenfalls erfolgreich.