Scale-Up

Effizientes Scale-Up vom Labor- in den Produktionsmassstab – mit den orbital geschüttelten Bioreaktorsystemen von Kühner

Die orbital geschüttelten Bioreaktorsysteme von Kühner sind ideal zur Kultivierung von humanen, tierischen und pflanzlichen Zellkulturen sowie von Insektenzellkulturen. Die Bioreaktorsysteme sind in vier Größen mit verschiedenen Arbeitsvolumina erhältlich: 1,5-4,5L und 4-12 L (SB10-X), 15-50 L (SB50-X), 50-200 L (SB200-X) und 500-2500 L (SB2500-Z).

Die zylindrischen Kessel der Bioreaktorsysteme werden mit gamma-sterilisierten 3D-Single-Use Bags (disposable bags) ausgestattet. Das Einbringen eines Rührers ist nicht erforderlich. Im Single-Use Bag sind Anschlüsse für die Überführung der Vorkultur, sowie zur Begasung des Mediums, Zuführung von Base/Säure und Ernte der Kultur angebracht. Zudem sind die Online-Messung von pH und DO (über chemo-optische Sensoren) sowie ATF und TFF Perfusionsprozesse je nach Beuteltyp möglich.

Orbital geschüttelte Kultivierungssysteme

Orbital geschüttelte Kultivierungssysteme im Kleinkulturmassstab sind weit verbreitet. Für den Hochdurchsatz finden Mikrotiterplatten (12-, 24-, 48- und 96-Well-Platten) mit Füllvolumina im µL- bis mL-Bereich Anwendung. Im nächsten Schritt werden TubeSpins® (Zentrifugenröhrchen) mit Arbeitsvolumina zwischen 5 und 35 mL bzw. (Einweg)Schüttelkolben eingesetzt. Die Schüttelkolben haben dabei je nach Größe Füllvolumen von ca. 10 mL bis etwa 4 L.

Dabei haben alle diese Schüttelgefäße, unabhängig von ihrer Größe, eines gemeinsam: die orbitale Bewegung der Kultivierungsflüssigkeit, die durch die Orbitalbewegung der Schüttelmaschine erzeugt wird. Die einheitliche Hydrodynamik ermöglicht die gute Skalierbarkeit von der Mikrotiterplatte über TubeSpins® hin zu Schüttelkolben, und damit vom µL- über den mL- bis in den einstelligen L-Bereich.

An diesen Punkt knüpfen die orbital geschüttelten Bioreaktorsysteme von Kühner an. Sie erweitern den Bereich der orbital geschüttelten Kultivierung bis in den 2500 L-Massstab. So ist ein Kultivierung von humanen, tierischen und pflanzlichen Zellkulturen sowie von Insektenzellkulturenvon der Mikrotiterplatte bis zum Pilot- bzw. Produktionsmassastab möglich.

Vorteile geschüttelter Bioreaktoren

Die einheitliche Hydrodynamik in orbital geschüttelten Bioreaktorsystemen entsteht durch die kreisförmige Gefäßgeometrie und die identische Art des Leistungseintrags. Bei orbital geschüttelten Systemen erfolgt der Leistungseintrag über die Gefäßwand, die die Kontaktfläche zur rotierenden Flüssigkeitssichel darstellt – im Gegensatz zu Rührreaktoren, in welchen die Leistung ausschließlich über den Rührer eingetragen wird.

Die Sauerstoffversorgung der Zellen erfolgt durch eine blasenfreie Oberflächenbegasung. Durch die Schüttelbewegung bildet sich im Bioreaktor eine Flüssigkeitssichel aus, die der Schüttelbewegung folgt. Diese Flüssigkeitssichel hinterlässt einen Flüssigkeitsfilm auf der Gefäßwand. Die Oberfläche von Flüssigkeitsfilm und -sichel bilden zusammen die Stoffaustauschfläche für den Gastransfer. Diese große Stoffaustauschfläche garantiert hohe kLa Werte für eine gute Sauerstoffversorgung der Zellen.

Die hohe mechanische Scherbelastung der Zellen, die in Rührreaktoren durch lokale Leistungsspitzen an den Rührerblättern sowie durch die Blasenbegasung des Mediums verursacht wird, tritt in orbital geschüttelten Bioreaktoren aufgrund des sehr gleichmäßigen Leistungseintrags über die Gefäßwand und die blasenfreie Oberflächenbegasung nicht auf. Auch Schaumbildung tritt durch diese Art des Gaseintrags, in Kombination mit der sanften Durchmischung des orbitalen Schüttelns, kaum auf.

Bei der Kultivierung in orbital geschüttelten Bioreaktorsystemen von Kühner entfallen aufwendige Kalibrations-, Reinigungs- und Sterilisationsverfahren dank präkalibrierter Sensoren und den gamma-sterilisierten Disposable Bags. Dies führt zu deutlich kürzeren Rüstzeiten als bei vergleichbar großen Edelstahl-Rührreaktoren. Da kein Rührer nötig ist, gibt es keinen Verschleiß beweglicher Teile oder Probleme mit der Sterilität der Gleitringdichtung der Rührwelle.

Alle orbital geschüttelten Bioreaktoren von Kühner haben einen großen Arbeitsbereich in Bezug auf ihr Füllvolumen und sind daher sehr flexibel bei der Durchführung verschiedener Kultivierungsprozesse. Jeder Bioreaktor kann sowohl im Labor als auch in der Produktion eingesetzt werden. Neben der Anwendung im Scale-up können die Bioreaktoren auch als eigenständige Pilot- und Produktionsanlagen eingesetzt werden. Die kleineren Bioreaktoren können dabei Inokulum für größere Reaktoren stellen. So kann beispielsweise eine im SB10-X gewonnene Kultur im nächsten Schritt als Vorkultur für den SB50-X oder den SB200-X dienen.