Auslegung geschüttelter Bioreaktoren für hochviskose und hydromechanisch empfindliche Fermentationssysteme

• Design of shaken bioreactors for fermentation systems with elevated viscosity and hydromechanical sensibility

Peter, Cyril Patrick; Büchs, Jochen (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2007)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2006

Kurzfassung

Biotechnologische Produktionsverfahren gewinnen zunehmend an Bedeutung. Die Produktpalette reicht von Bulkchemikalien im Tonnenmaßstab zu pharmazeutischen Präparaten im Mikrogrammmaßstab. Deren Herstellung wird durch biotechnologische Verfahren entweder überhaupt erst möglich oder kostengünstiger und nachhaltiger. In der Entwicklungsarbeit biotechnologischer Verfahren stellt das Screening nach verbesserten Stämmen oder Medien einen fundamentalen Teil dar. Dabei spielen geschüttelte Reaktoren wie Schüttelkolben sowie Mikrotiterplatten eine wesentliche Rolle. Die Entwicklungsarbeit setzt dabei geeignete, reproduzierbare und kontrollierbare experimentelle Bedingungen voraus. Für Schüttelkolben können bislang die Beschreibungen einiger typischer verfahrenstechnischer Operationen genutzt werden, um nicht-limitierende Prozessbedingungen auszulegen. Eine besondere Herausforderung stellen Prozesse mit erhöhter Viskosität dar. Dabei kann es zu Limitationen des Impuls-, Stoff- oder Wärmetransportes kommen. In geschüttelten Reaktoren kann außerdem das Außer-Phase Phänomen auftreten, welches das Screening in eine völlig ungewollte Richtung führen kann. Ferner sind hydromechanisch empfindliche Bioprozesse problematisch, in denen Öle, Säuger-, Pflanzen- oder filamentös wachsende Zellen genutzt werden. In solchen Prozessen treten bei der Übertragung der im Screening gewonnenen Erkenntnisse auf den Rührreaktor häufig Probleme auf. Die vorliegende Arbeit befasst sich folglich einerseits mit Reaktoren in Form von Schüttelkolben ohne und mit Einbauten (Schikanekolben) sowie 48-Well Mikrotiterplatten. Andererseits mit Prozessen, wobei besonders solche mit erhöhter Viskosität sowie mit Empfindlichkeit gegenüber hydromechanischer Belastung im Fokus stehen. Die Ergebnisse zeigen, dass der Leistungseintrag in Schüttelkolben nicht vom Schütteldurchmesser abhängt, solange er in-Phase ist. Bei kleinem Kolbennennvolumen bis zu 250mL und bei höherer Viskosität ist allerdings mit Verkleinerung der Kolbengröße u.U. eine deutliche Verschlechterung des Phasenzustandes zu erwarten. Für die dimensionslose Beschreibung des Leistungseintrages in schikanelosen Schüttelkolben bestätigt ein erweiterter Datensatz von insgesamt 6894 Datenpunkten über ein breites und extreme Betriebsbedingungen enthaltendes Feld die Beziehung der Literatur. Für die Berechnung der Scherrate in schikanelosen Schüttelkolben wurde eine Korrelationsgleichung entwickelt, welche für die Auslegung von Betriebsbedingungen bei strukturviskosen Fermentationssystemen genutzt werden kann. Die Untersuchung der hydrodynamische Belastung wurde mit Hilfe von Tropfengrößenmessungen eines flüssig/flüssigen Zweiphasensystems realisiert. Dabei sind die Tropfengrößenverteilungen in Rührreaktoren und in Schüttelkolben untereinander selbstähnlich. In Schüttelkolben gibt es kein Einfluss des Schütteldurchmessers oder des Füllvolumens auf die hydromechanischen Belastung. Diese ist bei gleicher durchschnittlicher Energiedissipationsrate ca. 10-mal kleiner als im Rührreaktor. Damit lässt sich z.B. die unterschiedliche Agglomeratgröße pelletierender Mikroorganismen in beiden Reaktortypen erklären. Zur Berechnung der hydromechanischen Belastung in Schüttelkolben wurde eine Gleichung entwickelt und als kritische Reynoldszahl für das Vorliegen turbulenter Strömung im Schüttelkolben ein Wert von ca. 60.000 vorgeschlagen. Der Sauerstofftransport bleibt in Schüttelkolben mit steigender Viskosität und In-Phase Bedingungen nahezu konstant, während die Sauerstofftransferkapazität mit und ohne Zusatz von Öl bis zu 15% ansteigt. Schikanelose und Schikanekolben zeigen gegenüber dem bekannten Rührreaktor vergleichbare Leistungscharakteristika. Schikanekolben sind im Vergleich zu schikanelosen Kolben nur dann die besseren Dispergierapparate, solange beide bei den gleichen Betriebsbedingungen betrieben werden. Bei gleichem durchschnittlichem Leistungseintrag sind beide Kolbentypen in dieser Hinsicht gleichwertig. Die Außer-Phase Theorie ist auch auf Schikanekolben anwendbar. Die quantitative Übertragbarkeit der Außer-Phase Theorie in 48-Well Mikrotiterplatten konnte gezeigt werden. Ferner konnte die effektive Scherrate in diesem Reaktortyp quantifiziert werden. Beim Stoffübergang bei erhöhter Viskosität ist keine ausgeprägte Abhängigkeit von der Viskosität zu beobachten. Die in dieser Arbeit dargestellten Ergebnisse erweitern die bislang zur Verfügung stehende verfahrenstechnische Charakterisierung von Schüttelkolben und Mikrotiterplatten. Hydromechanisch empfindliche Prozesse oder solche mit hochviskosen Fließeigenschaften können nun in diesen Reaktortypen durch die gezielte Auslegung von geeigneten Betriebsbedingungen systematisch untersucht werden.