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

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

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

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


Jedes System zur Durchperlung (Sparging) von Bioreaktoren ist für die Zufuhr von Sauerstoff zur Versorgung von Zellkulturen ausgelegt. Gleichzeitig muss das System Kohlendioxid entfernen, um toxische Ablagerungen zu verhindern, die die Zellen schädigen würden.

Verschiedene Merkmale und Komponenten von Bioreaktoren sind für die Optimierung dieser Prozesse von entscheidender Bedeutung: Sparrer, Impeller, Schikanen und die Form des Bioreaktors beeinflussen alle in gegenseitiger Abhängigkeit den Stoffaustausch. Hier werden wir uns auf die Verwendung von Spargern in Bioreaktoren konzentrieren und die technologischen Herausforderungen von Mikro- und Makro-Spargern sowie das pulsmodulierte Sparging als Lösung diskutieren.

Hintergrund: Regulierung des Sauerstoff- und Kohlendioxidgehalts in Bioreaktoren

Kleinere Bioreaktoren können den Sauerstoff wirksam verteilen und das Kohlendioxid ohne Sparger abziehen. 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.

Oft sind die Systeme sowohl mit Mikro- als auch mit Makro-Spargern ausgestattet, um unterschiedliche Prozessanforderungen zu erfüllen. Die größeren Blasen, die von Makro-Spargern erzeugt werden, können das gelöste CO2 wirksam aus der Lösung entfernen, erfordern jedoch eine stärkere Bewegung, um es aufzulösen und Sauerstoff in das System einzubringen. Mikro-Sparger führen viel kleinere Blasen ein, die sich leicht auflösen, aber zu zähflüssig sind, um sich effektiv im Bioreaktor zu verteilen, ohne dass ein übermäßiges Rühren schädliche Scherspannungen hervorrufen würde.

So können Makroverteiler in erster Linie zur Entfernung von Kohlendioxid und zur Einleitung von Sauerstoff in Bereiche des Reaktors verwendet werden, die räumlich weiter vom Verteiler entfernt sind, während Mikroverteiler im Tandem eingesetzt werden, um den Zellen effektiv gelösten Sauerstoff zuzuführen.

Herausforderung: Blasenmerkmale bestimmen O2-Massentransfer und CO2-Stripping-Raten

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 Verteilers, Durchflussmenge, Flüssigkeits- und Gaseigenschaften sowie lokalen Drücken beeinflusst.

Die von Mikro-Spargern erzeugten Blasen sind mikrometergroß und kugelförmig, und die Oberflächenspannung ist die vorherrschende Kraft, wenn sie sich durch den Bioreaktor bewegen. Sie haben daher eine hohe Verweildauer im Reaktor, was für den Sauerstoff-Massentransfer von Vorteil ist, 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. Makrosprudler können jedoch auch noch größere Blasen erzeugen, die im Allgemeinen asymmetrisch sind und deren Verhalten von Trägheitskräften bestimmt wird. Diese Blasen neigen dazu, zu kollabieren, ohne dass sich das Kohlendioxid auflöst oder abgeschieden wird.

Form und Größe der Blase bestimmen die Scherbelastung der Zellen, die Effektivität der CO-Abscheidung aus dem System und2 die Gesamtsauerstoffübertragungsrate zu den Zellen. Es ist daher wichtig, die Bioreaktor-Sparger zu optimieren, um sicherzustellen, dass die Sauerstoffblasen gleichmäßig groß und verteilt sind und die Zellen nicht beschädigen.

Lösung: Pulsmoduliertes Durchblasen mit Massendurchflussreglern

Das impulsmodulierte Durchblasen ist eine Methode, mit der Ingenieure die Blasengröße und die Geschwindigkeit der Freisetzung in den Bioreaktor am besten regulieren können. Ein Massendurchflussregler mit geringem 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 der Durchperlung kann der Sauerstoffmassenstrom eingestellt werden, um die Freisetzungsrate der Blasen in den Bioreaktor zu steuern. Die Blasengröße bleibt gleichmäßig, da die Löcher in der Sparger-Scheibe so klein sind, dass sich die Blasen vorhersehbar bilden. Diese Technologie zur Durchperlung von Bioreaktoren ist daher über verschiedene Gefäßgrößen hinweg skalierbar, wobei die Sauerstoffübertragungsrate proportional zur Gasdurchflussrate ist.