Aufbau und Testung eines Nebelkammmerreaktors für Tierzellkultivierungen
Final Report Abstract
Das Ziel des vorliegenden Projektes war es ein neuartiges Reaktorsystem zu entwickeln, in dem Zellen in einem Aerosol aus Nährmedium kultiviert werden können. Dafür wurde ein Reaktorkonzept ausgearbeitet und in einen Nebelkammerreaktor-Prototyp umgesetzt (NKR Typ-I), der im TCI gebaut wurde. Bei diesem Prototypen wird das Nährmedium mit einer Ultraschallzerstäubereinheit unterhalb der Kultivierungszone zu einem Aerosol zerstäubt. Die Zellen befinden sich dabei auf einer Probenhalterung im Nebel auf der sich der Nebel absetzen kann. Anschließend tropft das überflüssige Medium zurück in das Mediumreservoir. Über die Probenhalterung erfolgt eine Trennung zwischen der Probe und dem Flüssigmedium. Eine Kühlung verhindert dabei das unkontrollierte aufheizen des Reaktors. Um eine geeignete Zerstäubung zu gewährleisten wurden zunächst verschiedene Ultraschallzerstäubereinheiten miteinander verglichen. Dabei stellte sich ein Kavitationszerstäuber aufgrund seiner konstanten und hohen Nebelleistung, sowie der geringen Tröpfchengröße von 3 bis 5 µm als geeignetster Kandidat heraus. Als physikalische Schnittstelle zum PC wurde der sehr variabel einsetzbare Datenlogger "LogMessage" der Firma Delphin ausgewählt. Zusammen mit der passenden Software "ProfiSignal" ist der Datenlogger in der Lage alle benötigten Sensoren anzuschließen und gegebenenfalls einer Regelung zuzuführen. Das Sensorsystem beinhaltet Sensoren zur Messung der Temperatur, des Sauerstoffgehaltes und des pH-Wertes, die in der Lage sind in einem Aerosol zu messen. Außerdem kann auch ein Pulsgeber über die "LogMessage" eingerichtet werden. Anschließend wurde mithilfe der aufgebauten Messtechnik der Reaktor physikalisch und chemisch charakterisiert. Hierbei konnte gezeigt werden, dass eine homogene Temperaturverteilung in der Kultivierungszone eingestellt und konstant gehalten werden kann. Der Sauerstoffeintrag wurde mithilfe des kLa-Wertes bestimmt. Hier konnte im Vergleich zu anderen Reaktorsystemen mit einem kLa-Wert von 37 h-1 ein sehr guter Wert gemessen werden. Dieses zeigt, dass der Nebelkammerreaktor im Gegensatz zu anderen Reaktorsystemen mit Oberflächenbegasung eine exzellente Sauerstoffversorgung besitzt. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass durch die Zerstäubung alle getesteten Nährstoffe zu den Zellen transportiert werden können. Die Stabilität von verschiedenen Mediumkomponenten während der Zerstäubung lieferte komponentenspezifische Ergebnisse. Für Glutamin, als Beispiel für eine essentielle und gleichzeitig relativ instabile Aminosäure, konnte kein signifikanter Unterschied hinsichtlich der Stabilität im Vergleich zu der Referenz festgestellt werden. Auch die getesteten Antibiotika konnten bis auf Tetracyclin stabil zerstäubt werden. Dagegen war bei der Enzymaktivität ein deutlicher Aktivitätsverlust im Vergleich zu der Referenz zu erkennen. Zur Optimierung wurden sowohl verschiedene Betriebsweisen des Zerstäubers, als auch weitere Kavitätionszerstäuber eingehend getestet. Als optimal wurde ein Zerstäuber mit einer höheren Arbeitsfrequenz identifiziert. Dieser konnte die Stabilität des Enzyms von 5 h auf 65 h verbessern. Die physikalische und chemische Charakterisierung führte zu einem verbesserten Reaktormodell (NKR Typ II) mit dem zum Beispiel die Aufwärmzeit von 1,6 h auf 0,5 h reduziert werden konnte. In diesem Reaktormodell erfolgte eine biologische Charakterisierung mit einem Modellorganismus, welche die Vorteile des Reaktorkonzepts bestätigte. Es zeigte sich, dass der Nebelkammerreaktor in der Lage ist alle physikalischen und chemischen Anforderungen für die Kultivierung von eukaryotischen Zellsystemen zu erfüllen. Dabei ist insbesondere die sehr gute Sauerstoffversorgung positiv hervorzuheben. Abschließend lässt sich feststellen, dass dieses neuartige Reaktorkonzept wesentliche Vorteile hinsichtlich der Sauerstoffversorgung, Sterilität und Scherstress aufweist und somit insbesondere für sensitive, komplexe Zellsysteme im Bereich der regenerativen Medizin weiterverfolgt und genutzt werden sollte.
Publications
- Nebelkammerreaktor – Evaluation eines neuen Bioreaktorsystems, DECHEMA Jahrestagung der Biotechnologen in Karlsruhe, 2012
B. Tscheschke, J. Dreimann, Jürgen von der Ruhr, T. Schmidt, L. Just, F. Stahl, T. Scheper
- Charakterisierung von Nebelkammerreaktoren mit Ultraschallzerstäubung, DECHEMA Frühjahrstagung in Frankfurt, 2013
B. Tscheschke, J. Dreimann, Jürgen von der Ruhr, T. Schmidt, L. Just, F. Stahl, T. Scheper
- Der Nebelkammer-Reaktor – neuartiges Reaktorkonzept für anspruchsvolle Kultivierungen = The Mist Chamber Reactor – Novel Bioreactor Concept for Challenging Cultivations. Chemie Ingenieur Technik, 87,6, Special Issue: Reaktionstechnik, 2015, Pages 773-780
Janis Dreimann, Timo Schmidt, Bernd Tscheschke, Jürgen W. v.d. Ruhr, Lothar Just, Frank Stahl, Thomas Scheper
(See online at https://doi.org/10.1002/cite.201400079) - Evaluation of a new mist‐chamber bioreactor for biotechnological applications. Biotechnology and Bioengineering, 112,6, June 2015, Pages 1155-1164
B. Tscheschke, J. Dreimann, Jürgen von der Ruhr, T. Schmidt, F. Stahl, L. Just, T. Scheper
(See online at https://doi.org/10.1002/bit.25523)
