Vier Methoden zur pH-Kontrolle in Bioreaktoren

Säugetierzellen sind nur in einer Umgebung mit einem pH-Wert zwischen 7,1 und 7,4 lebensfähig. Aber die Zellen produzieren natürlich Kohlendioxid als Nebenprodukt der Atmung, wodurch der pH-Wert sinkt. Zellen verfügen von Natur aus über Mechanismen, um Kohlendioxid zu entfernen und toxische Ablagerungen zu verhindern, sowie über Puffersysteme, um den pH-Wert auf einem gesunden Niveau zu halten. Bioreaktoren müssen diese Eigenschaften nachahmen, um sicherzustellen, dass die Zellen gedeihen können.

Zu diesem Zeitpunkt muss der pH-Wert der Kultur angehoben werden. In der Vergangenheit wurde Base in das Kulturmedium gepumpt. Bei neueren Bioreaktorsystemen werden große Luft- oder Stickstoffblasen mit Hilfe von Makro-Spargern eingeleitet. Diese Blasen lösen sich nicht so leicht auf, so dass sie das Kohlendioxid aus der Kultur abziehen und es in den Kopfraum des Bioreaktors bringen, wo es entfernt wird.

Die jüngste Literatur hat sich eingehend mit den wirksamsten Mitteln zur Kontrolle des pH-Werts in einem Bioreaktor befasst. Im Folgenden werden vier Ansätze zur pH-Kontrolle in einer Rangfolge von am wenigsten bis am effektivsten dargestellt.

Am wenigsten wirksam: Halten des pCO₂ Konstante

pCO₂ Auswirkungen auf den pH-Wert, aber sie sind nicht eng miteinander verbunden

Der Hauptgrund dafür ist, dass bei kleinen pH-Änderungen der Bereich der Lebensfähigkeit der Zellen (pH 7,1 - 7,4) nicht überschritten wird, Bikarbonatpuffer im (extrazellulären) Medium wird den pCO₂ nach dem Prinzip von Le Chatelier.

Außerdem erzeugen Säugetierzellen neben Kohlendioxid auch Laktat als Nebenprodukt der Atmung. Laktat und CO₂ machen beide die Kultur saurer, aber die Wirkung von Laktat auf den pH-Wert spiegelt sich nicht im pCO₂ Messung.

Nachdem der Puffer zusammengebrochen ist und der pH-Wert deutlich zu sinken beginnt, wird pCO₂ und pH sind viel enger miteinander verbunden. Aber es ist immer noch kein wirksames Mittel zur Überwachung und Kontrolle des pH-Werts - der Variable, die für die Erhöhung des Zelltiters wirklich wichtig ist.

Diese Methode ist am wirksamsten bei:

• Kleinere Bioreaktoren, bei denen die Auswirkungen einer ungleichmäßigen Durchmischung und pH-Lokalisierung vernachlässigbar sein können.
• Umgebungen mit niedrigem pCO₂ und niedrigem pH-Wert, wo die Zellen CO₂das sich schnell auflöst, den pH-Wert weiter senkt und nicht durch Einblasgase entfernt werden kann.
• Fermenter Fermenter, die mikrobielle Zellen kultivierendie widerstandsfähiger sind als Säugetierzellen. Sie können mit stärkerer Bewegung und Durchmischung umgehen und sind weniger empfindlich gegenüber pH-Schwankungen.

Das Pumpen von Base garantiert keinen konstanten pH-Wert im gesamten Bioreaktor

Diese Probleme verschärfen sich mit zunehmender Größe des Bioreaktors, was bedeutet, dass sich die Pumpenbasis einfach nicht gut skalieren lässt. Sowohl die Mischzeit als auch das Rühren müssen mit der Größe des Bioreaktors zunehmen, um eine Verschlechterung der Lokalisierung zu vermeiden, was jedoch auf Kosten einer erhöhten Schaumbildung und Scherbelastung geht.

Pumpen in der Basis auch erhöht die Osmolalität (gelöste Stoffe pro Kilogramm Kulturmedium) der Kultur. In größeren Bioreaktoren kann dies die Lebensfähigkeit der Zellen und den Produkttiter verringern.

Das Pumpen der Basis hat erhebliche Nachteile, während das Durchblasen von Gasen erhebliche Vorteile hat

Diese Methode ist aufgrund mehrerer Faktoren besonders wirksam:

• Die Einspritzraten sind nur durch die maximalen Durchflussraten der Massendurchflussregler begrenzt, die die Gase zu den Einspritzern leiten. Die spezifische Mikro- und Makrovernebler können auf der Grundlage der gewünschten Durchflussraten und bekannter Stoffübertragungsprinzipien entwickelt und skaliert werden.
• Gasblasen aus Verteilern können gleichmäßig gemischt und verteilt werden, und zwar schneller und mit viel weniger Umwälzungen als bei Basen.
• Die Durchspülung von Gasen lässt sich sehr gut skalieren, da sich die Durchspülrate und die Blasengröße bei einer Vergrößerung des Bioreaktors oft nicht ändern müssen. In einer Studie von Hoshan et al. aus dem Jahr 2018 wurde die Durchflussrate konstant gehalten und die Belüftung des Kopfraums einfach erhöht, um die zunehmende Größe des Bioreaktors auszugleichen. Sie sahen Titer um ähnliche Beträge erhöht sowohl in 30-Liter- als auch in 250&nbspL-Bioreaktoren, indem einfach optimierte Regelkreise zwischen pH-Wert und Spülluft eingerichtet werden.

Intelligente Verteilertechnik und Regelkreisgestaltung sind entscheidend

Gut konzipierte Sparger hingegen lassen sich gut skalieren und erzeugen konstant hohe Titer.