Schüttel-, Wipp- und Rührkessel-Bioreaktoren - die Vorteile der einzelnen Verfahren

Wir haben bereits Artikel geschrieben, in denen wir Einweg-Bioreaktoren mit Mehrweg-Bioreaktoren aus Edelstahl oder Glas verglichen haben. Sie können lesen, wann Sie Umstellung auf Einwegdie Vorteile des Einmalgebrauchs in Bioprozessierung im kleinen Maßstabund die Umweltauswirkungen von Einweg- und Mehrweg-Bioreaktoren. In diesem Artikel vergleichen wir die folgenden Mischtechnologien: Schüttel-, Wipp- und Rührkessel-Bioreaktoren. Auf der Interphex 2021 hatten wir die Gelegenheit, mit Ingenieuren von Kuhner Schüttler über ihre neuen Schüttelbioreaktoren, MicroDigital Co. über ihre Einweg-Bioreaktoren Cel Bic Rocker und Eppendorf über ihre Rührtank-Bioreaktoren. Jede dieser Bioreaktortechnologien kann mit Einweg- oder Mehrweg-Bioreaktoren verwendet werden und unterscheidet sich in erster Linie durch ihre Methode zur Belüftung und Durchmischung der Kultur, um den Sauerstofftransfer aus der Bioreaktorumgebung in die wachsenden Zellen zu maximieren.

Rührkessel-Bioreaktoren sind die Branchenklassiker. Sie sind in der Regel zylindrisch, enthalten mindestens eine Einblasdüse, um Gas in das Kulturmedium zu leiten, und verfügen über einen Impeller, um die Zellkultur zu mischen und die Gasblasen im Bioreaktor aufzubrechen bzw. zu verteilen. Diese Bioreaktoren können entweder für den einmaligen Gebrauch oder aus rostfreiem Stahl sein. Einwegreaktoren haben ein Fassungsvermögen von etwa 15 ml bis 2000 l, wiederverwendbare Bioreaktoren können bis zu 50.000 l fassen.

Rührkessel-Bioreaktoren werden häufig verwendet, um einen Bioprozess vom Forschungs- und Entwicklungs- in den Produktionsmaßstab zu übertragen. Da sie seit langem erprobt und am häufigsten verfügbar sind, sind die mathematischen, physikalischen und biologischen Grundlagen des Stoffaustauschs gut bekannt. Diese bekannten Mischungsprinzipien sorgen für einen hocheffizienten Gastransfer in Rührkessel-Bioreaktoren. Außerdem sind sie in einem breiten Spektrum von Betriebsbedingungen äußerst flexibel, d. h. sie können für die Kultivierung empfindlicher Säugetierzellen bei geringen Scherkräften oder für die Kultivierung bestimmter Pilze, die extreme Temperaturen und hohe Drücke erfordern, eingesetzt werden.

Die Durchspülung ermöglicht zwar den Sauerstofftransfer durch größere Volumina und hat einen geringeren Platzbedarf, ist aber nicht so effizient wie der Sauerstofftransfer durch den Kopfraum. Ein weiterer Nachteil ist die von den Impellern verursachte Scherbeanspruchung, die beim Rühren von Säugetierkulturen minimiert werden muss. Impeller führen außerdem Schaum in Bioreaktoren ein und müssen mit Antischaummitteln behandelt werden. Schließlich müssen die Impeller und Sparger in Bioreaktoren aus rostfreiem Stahl gründlich gereinigt werden, um Verunreinigungen zu vermeiden.

Wipp-Bioreaktoren (oder Wellen-Bioreaktoren) sind ebenfalls recht verbreitet. Dabei handelt es sich in der Regel um große Einweg-Plastikbeutel, die flach auf einer sanft schaukelnden Plattform (<100 U/min) liegen. Diese Bioreaktoren führen der Zellkultur durch den Kopfraum Sauerstoff zu und mischen die Brühe mithilfe der Wippplattform. Wipp-Bioreaktoren werden am häufigsten in Laboratorien eingesetzt. Da sie hocheffizient sind, aber eine große Stellfläche haben, können sie auch für kleine Produktionsmengen oder zur Befüllung größerer Rührkessel-Bioreaktoren verwendet werden.

Die großen, flachen, zweidimensionalen Rocker-Bioreaktoren haben ein sehr hohes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen für einen hocheffizienten Sauerstoff-Massentransfer. Sie sind auch sanfter als Rührkessel-Bioreaktoren, da sie die Kultur vollständig belüften, ohne dass Rührwerke erforderlich sind. Da Rocker-Bioreaktoren keine Sparger oder Impeller verwenden und in den meisten Fällen nur einmal verwendet werden, sind sie einfach zu reinigen und stellen fast kein Risiko der Kreuzkontamination.

Große Bioreaktoren mit flacher Wippe sind nicht gut skalierbar. Sie haben in der Regel nur ein Volumen von 5 bis 100 Litern, wobei ihre Größe durch die Geschwindigkeit des Sauerstofftransfers durch den Kopfraum begrenzt wird.

Shaker-Bioreaktoren stehen auf einer Plattform, die sich in einer kreisförmigen Bewegung bewegt, die so einfach wie ein 2D-Kreis oder so komplex wie eine 3D-Acht sein kann. Wie die Wipp-Bioreaktoren führen sie das Gas vollständig durch den Kopfraum zu.

Durch die Wirbelbewegung wird die Zellkulturbrühe an den Seiten des Bioreaktors nach oben bewegt, so dass eine sehr dünne Flüssigkeitsschicht an der Seite des Gefäßes haftet. Dies ermöglicht einen maximalen Sauerstofftransfer, ohne dass eine große Stellfläche erforderlich ist. Der Massentransfer hängt vollständig von der Gasströmung durch den Kopfraum ab, so dass sich Schüttelbioreaktoren linear skalieren lassen.

Diese Art des Mischens mildert auch den Scherstress, so dass sie sich gut für Säugetierzellkulturen eignet.

Shaker-Bioreaktoren lösen zwar viele der Probleme, die mit der Durchspülung und dem Impelling verbunden sind, sie sind jedoch eine viel neuere Technologie. Die Mathematik des Scale-up und des Sauerstoff-Massentransfers ist viel weniger bekannt als bei anderen Bioreaktortypen.

Rührkessel-Bioreaktoren lassen sich nachweislich gut skalieren, können genau kontrolliert werden und arbeiten nach bekannten Stoffaustauschprinzipien. Wipp-Bioreaktoren haben den effizientesten Stoffaustausch, aber die Stellfläche wird beim Scale-up schnell zu einem Problem. Schüttelbioreaktoren sind eine neuere Technologie, die jedoch das Potenzial für hohe Effizienz und Ausbeute sowie eine lineare Skalierung bietet.

Je nach den benötigten Produktionsmengen und dem Scale-up-Plan sind verschiedene Arten von Bioreaktoren in verschiedenen Entwicklungsphasen mehr oder weniger vorteilhaft. Die Wahl von Bioreaktoren, die für jede Entwicklungsphase optimiert sind, ist eine solide Strategie. Es kann aber auch sinnvoll sein, einen Bioreaktor zu wählen, der für eine frühe Phase nicht so gut geeignet ist, sich aber problemlos vom Labor- in den Produktionsmaßstab übertragen lässt.