Bewältigung der Skalierungsprobleme bei der Durchspülung von Bioreaktoren mit Hilfe der Massenflusskontrolle

Dieser Artikel wurde ursprünglich in Fluid Handling Pro am 29. Juni 2021 veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel hier.

 

Bioreaktor-Sparging-Systeme sind so konzipiert, dass sie Sauerstoff in die Zellkulturen einbringen und gleichzeitig Entfernung von Kohlendioxid um toxische Ablagerungen zu verhindern. Verschiedene Bioreaktoreigenschaften und -komponenten sind für die Optimierung dieser Prozesse entscheidend. Einspritzdüsen, Laufräder, Schikanen und die Form des Bioreaktors beeinflussen alle den Stoffaustausch. Hier konzentrieren wir uns auf den Einsatz von Spargern in Bioreaktoren und erörtern die technologischen Herausforderungen von Mikro- und Makro-Spargern sowie das pulsmodulierte Sparging als Lösung.

Hintergrund: Regulierung des Sauerstoff- und Kohlendioxidgehalts in Bioreaktoren

Kleinere Bioreaktoren können den Sauerstoff effektiv verteilen und das Kohlendioxid ohne Sparger entfernen. Bei größeren Bioreaktoren sind diese Maßnahmen jedoch unzureichend, da das geringere Verhältnis von Oberfläche zu Volumen zu einer Ansammlung von Kohlendioxid führt und das Eindringen von Sauerstoff verhindert. Daher sind Sprudler notwendig, um Sauerstoff einzubringen und Kohlendioxid zu entfernen. Oftmals sind Systeme mit beiden Mikro- und Makroverteiler sind nützlich, weil sie für verschiedene Prozessanforderungen ausgerüstet sind. So können beispielsweise die von Makro-Spargern erzeugten größeren Blasen gelöstes CO₂ Die großen Blasen müssen jedoch stark bewegt werden, um sie aufzubrechen und Sauerstoff freizusetzen. Während dies für widerstandsfähige Zelllinien in Ordnung sein mag, kann das Schütteln zu Schäden an empfindlicheren Säugetierzellen führen. In diesen Fällen kann zunächst ein Makro-Sparger mit geringerer Leistung verwendet werden, um das CO₂ und dann kann ein Tandem-Mikrosparger verwendet werden, um kleinere Blasen zu erzeugen, die den Sauerstoff effizienter abgeben.  

Herausforderung: Blasenmerkmale bestimmen O₂ Stoffaustausch & CO₂ Abtragsraten

Blasenbildung und -größe haben einen erheblichen Einfluss darauf, wie sich der Sauerstoff im Bioreaktor verteilt. Die Eigenschaften der Blasen werden maßgeblich von Faktoren wie Porengröße und -verteilung, Material des Spargers, Durchflussmenge, Flüssigkeits- und Gaseigenschaften und Druck beeinflusst. Mikro-Sparger erzeugen zum Beispiel eher kleinere, kugelförmige Blasen, während Makro-Sparger eher etwas größere und ungleichmäßig geformte Blasen erzeugen. Die von Mikro-Spargern erzeugten Blasen sind mikrometergroß und kugelförmig, und bei ihrer Bewegung durch den Bioreaktor ist die Oberflächenspannung die dominierende Kraft. Sie haben daher eine hohe Verweilzeit im Reaktor, was den Sauerstoff-Massentransfer verbessert, sie aber für das Strippen von Kohlendioxid aus der Kultur ungeeignet macht. Makro-Sparger erzeugen Blasen mit einem Durchmesser von durchschnittlich 1-4 mm, wobei Oberflächenspannung und Auftrieb in der Brühe ihre Form und Bewegung beeinflussen. Diese Blasen haben eine kürzere Verweilzeit, lösen sich aber weniger leicht auf als kleinere Blasen. Makro-Sparger können jedoch auch größere, asymmetrische Blasen erzeugen, bei denen Trägheitskräfte das Verhalten dominieren. Diese Blasen neigen dazu, zu kollabieren, ohne sich aufzulösen oder Kohlendioxid abzuscheiden. Form und Größe der Blase bestimmen die Höhe der Scherbelastung, der die Zellen ausgesetzt sind, sowie die Wirksamkeit der CO₂ Strippen aus dem System und die gesamte Sauerstoff-Massentransferrate zu den Zellen. Daher ist es wichtig, die Bioreaktor-Sparger zu optimieren, um sicherzustellen, dass die Sauerstoffblasen gleichmäßig groß und verteilt sind und die Zellen nicht beschädigen.  

Lösung: Pulsmodulierte Vernebelung mit Massendurchflussreglern

Die pulsmodulierte Durchspülung ist eine Methode der Durchspülung, mit der Ingenieure die Blasengröße und die Geschwindigkeit der Freisetzung in den Bioreaktor am besten regulieren können. A Massendurchflussregler mit niedrigem Durchfluss führt langsam Sauerstoff in eine poröse Sparger-Scheibe ein. Die Scheibe gibt das Gas nicht sofort frei. Stattdessen baut sich der Druck auf, bis er einen kritischen Punkt erreicht, an dem die Blasen sanft in den Bioreaktor abgegeben werden. Bei dieser Methode kann der Sauerstoffmassenstrom eingestellt werden, um die Freisetzungsrate der Blasen in den Bioreaktor zu steuern. Die Löcher in der Sparger-Scheibe sind so klein, dass die Blasenbildung vorhersehbar ist. Diese Technologie zur Durchspülung von Bioreaktoren ist daher über verschiedene Gefäßgrößen hinweg skalierbar, wobei die Sauerstofftransferrate proportional zur Gasdurchflussrate ist.