Das INFORS Kochbuch: Grundwissen, Rezepte und Strategien für mikrobielle Prozesse

Zudem verfügt der Bioreaktor über eine lokale Bedieneinheit
(auch engl. HMI, Human Machine Interface). Die Bedieneinheit
ermöglicht dem Anwender - wie der Name schon andeutet – eine
direkte Interaktion mit dem Bioreaktor. Heutzutage handelt es sich
bei der Bedieneinheit moderner Bioreaktoren meistens um einen
Touchscreen. An der Bedieneinheit kann der Anwender Prozessparameter
für einen Batch (Bioprozess, siehe Glossar) anpassen und
die Regler ein- und ausschalten oder anderweitig konfigurieren.
Zudem kann die Schnittstelle für die Verbindung einer SCADA-
Software konfiguriert werden.
Die im Bioreaktor generierten Resultate sollen heutzutage möglichst
zentral gesammelt und ausgewertet werden. Nur so lassen
sich moderne, auf Big Data abzielende Algorithmen effektiv
einsetzen, um ein Mehr an Informationen zu generieren und das
Prozessverständnis zu verbessern. Diese Aufgabe wird von einer
SCADA-Software wahrgenommen. Bei INFORS HT ist dies eve ® ,
die Plattform-Software für Bioprozesse. Über ein lokales oder globales
Netzwerk nimmt sie auf Basis standardisierter Protokolle wie
OPC UA Kontakt mit den Bioreaktoren auf. In einem ersten Schritt
können so bereits ohne grössere Eingriffe des Anwenders alle
Daten des Bioreaktors ausgelesen und zentral gespeichert werden,
um sie entweder individuell oder zusammen mit Daten anderer
Batches vergleichend auszuwerten.
Dabei kommen schnell Ideen für neue Experimente auf, ggf. sogar
komplexe Batch-Strategien. Diese können mühelos in eve ® geplant
werden – sicher komfortabler mit Kaffee im Büro statt im Laborkittel
am Bioreaktor – und später zur Steuerung des Bioreaktors
verwendet werden, was im Idealfall sogar vollautomatisch erfolgt.
Zudem können auch sämtliche den Batch begleitende Informationen
in eve ® zentralisiert werden, was Informationen über die
verwendeten Mikroorganismen, deren liebstes Kulturmedium oder
die Messdaten zu den Proben, die aus dem Bioreaktor entnommen
wurden (offline-Analytik), einschliesst.
Ausserdem integriert eve ® auch viele Komponenten des sog. «Bioreaktor-Umgebung».
Dazu gehören Werkzeuge zur Prozessoptimierung
mittels Design of Experiment (DoE) oder leistungsstarke
Soft(ware)-Sensoren, mit denen sich zeitgleich und ohne Umwege
zusätzliche Informationen aus den Prozessparametern eines
Batches errechnen und sogar zur Regelung heranziehen lassen.
So kann zum Beispiel der respiratorische Quotient RQ verwendet
werden, um eine Abschätzung der Stoffwechselaktivität mittels
des Verhältnisses von ausgeschiedenem Kohlenstoffdioxid zu
aufgenommenem Sauerstoff zu erhalten.
Gerade wenn Bioreaktor und SCADA-Software perfekt aufeinander
abgestimmt sind, bieten sich derart viele Möglichkeiten, dass
deren Beschreibung den Rahmen dieses Kochbuchs sprengen
würde. Falls Sie zu den glücklichen Besitzern der beiden Systeme
gehören, haben Sie Mut, es einfach einmal auszuprobieren – Sie
werden sehen, wie spielend leicht Sie von den vielfältigen Features
profitieren können. Andernfalls sind Sie herzlich eingeladen durch
unsere Webseite zu stöbern, einen Blick in die eve ® -Tutorials zu
werfen oder eine Demo-Version anzufordern.
1.3 Funktionsweise
Bei einem Rezept weiss der geübte Hobbykoch, welche Behältnisse
und Geräte er verwenden muss, um mit den angegebenen Zutaten
zu dem erwünschten Ergebnis zu kommen. Ähnlich verhält es sich
bei den Bioreaktoren. Der geübte Anwender stellt sich den Reaktor
mit den benötigten Komponenten so zusammen, dass die im
Rezept angegebenen Bedingungen für die Mikroorganismen möglichst
dauerhaft erreicht werden. Doch um welche Bedingungen
handelt es sich hier? Und wie erreicht man deren präzise Einhaltung?
Genau diese Fragen werden im nächsten Abschnitt geklärt.
Gerührt oder geschüttelt?
Die permanente Durchmischung ist wichtig für alle Bioprozesse.
Wenn die Nährstoffe im Bioreaktor nicht ausreichend verteilt
werden, kommt es im Bioreaktor lokal zu deutlichen Abweichungen
von den Idealbedingungen. So könnte der pH zu sauer oder
die Mikroorganismen nicht ausreichend mit Nährstoffen versorgt
sein. Solche Abweichungen mindern nicht nur die Effizienz des
geplanten Bioprozesses, sondern können durch den auf die Mikroorganismen
einwirkenden Selektionsstress auch genetische Modifikationen
fördern, die damit zu einem dauerhaft veränderten
und im Regelfall unerwünschten Verhalten der Mikroorganismen
führen. Ein weiterer Aspekt ist die Temperaturverteilung. Ohne
gleichmässiges Rühren werden die Mikroorganismen am Kesselrand
regelrecht gekocht, während diejenigen in der Mitte kalte
Füsse bekommen. Wer sich schon einmal Suppe in der Mikrowelle
aufgewärmt hat und sie vor lauter Vorfreude ohne umzurühren
gleich verzehrt hat, wird eine ähnliche Erfahrung gemacht haben.
Die typische Rührgeschwindigkeit variiert je nach kultiviertem
Organismus. Bei Bakterien, Hefen und Pilzen sind dies in der Regel
500 min –1 bis 1500 min –1 , bei Tier-, Pflanzen- und Insektenzellen –
die nachfolgend nicht weiter im Detail erläutert werden – 30 min –1
bis 300 min –1 . Die Anpassung der Rührgeschwindigkeit ist in Abhängigkeit
von den zu kultivierenden Zellen zu wählen, da diese
unterschiedlich auf Scherstress, also die mechanische Beanspruchung,
welche durch das Rühren verursacht wird, reagieren. Durch
die Veränderung der Rührgeschwindigkeit kann auch während des
Bioprozesses die Verfügbarkeit von Sauerstoff variiert werden und
so ein optimales Wachstum der Zellen zu gewährleisten.
Temperaturmessung und -regelung
Alle Mikroorganismen haben Enzyme, die sich in einem bestimmten
Temperatur- und pH-Bereich am wohlsten fühlen. Wird dieser
über- oder unterschritten, wachsen die Zellen nicht so gut, da
die Stoffwechselleistungen und das Wachstum zu einem beträchtlichen
Teil von Enzymen, also katalytisch aktiven Proteinen,
abhängt. Im schlimmsten Fall werden diese gar durch die Umgebungsbedingungen
zerstört.
Zur Bestimmung der Temperatur wird im Bioreaktor ein Platin-Messwiderstand,
ein sogenannter Pt100-Sensor eingesetzt.
Dieser hat bei 0 °C einen Widerstand von 100 Ω und kann bei
entsprechender Kalibrierung den erwarteten, biologisch relevanten
Messbereich gut abdecken.
Der Regelbereich liegt zumeist zwischen +5 °C bis +50 °C über
der Raumtemperatur, während die typischen Temperaturen, bei
denen Bioprozesse betrieben werden, zwischen 20 °C und 50 °C
liegen. Soll bei Temperaturen nahe oder unterhalb der Raumtemperatur
gearbeitet werden, ist eine aktive Kühlung, z.B. über einen
Umlaufkühler, erforderlich. Für den Grossteil der Bioprozesse soll
die Temperatur während der gesamten Kultivierung konstant
bleiben. Jedoch gilt für einige Produkte wie etwa Penicillin oder
rekombinante Proteine (d.h. biotechnologisch hergestellte Proteine
mit Hilfe von gentechnisch veränderten Organismen), dass ein
Temperaturwechsel am Ende der Wachstumsphase wichtige Gene
zur Produktbildung aktiviert und daher förderlich ist.
Für die Temperaturregelung mittels eines Wärme- und/oder Kühlkreislaufes
gibt es verschiedene Wege:
• Elektrischer Heizblock mit eingebauter Kühlspirale (Minifors 2
und Multifors 2)
• Heizpolster aus Silikon, das nach der Sterilisation um das Kulturgefäss
gewickelt wird (Labfors 5)
• Doppelmantel, in dem Wasser zirkuliert wird. Die Temperatur
wird über eine elektrische Heizung oder Dampf und ein magnetisches
Ventil zum Einlass von Kühlwasser eingestellt (Labfors 5,
Techfors-S und Techfors).
pH-Messung und -Regelung
Die Messung und Kontrolle des pH ist bei den meisten Bioprozessen
sehr wichtig, da die Mikroorganismen selbst oft zu einer
Änderung dessen beitragen. Kulturmedien für Mikroorganismen
beinhalten üblicherweise auch Puffersubstanzen, d.h. Stoffe, die
bei Zugabe von Säure oder Base einen allzu drastischen Umschlag
des pH abschwächen. Ist dies nicht der Fall, ändert sich der pH
oftmals schlagartig, womit sich die Wachstumsbedingungen für
die Mikroorganismen massgeblich verändern – mit meist fatalen
Folgen. Liegt der pH-Wert ausserhalb des Präferenzbereiches,
vermehren sich die Mikroorganismen nicht weiter oder sterben
gar ab. Eine starke Änderung des pH kann zudem weitere
unerwünschte Stoffwechselprozesse hervorrufen und zu einer
Hemmung der entsprechenden Mikroben führen. Ein Beispiel dafür
ist die Milchsäuregärung, die schon seit der Jungsteinzeit vom
Mensch zur Haltbarmachung von Lebensmitteln eingesetzt wird.
Damit werden Sauermilchprodukte, Sauergemüse und Sauerteigbrote
produziert, welche durch die Milchsäure-Ausscheidung
der entsprechenden Bakterien angesäuert werden. Dies führt
im Gegenzug zu einer Wachstumshemmung anderer Mikroorganismen
ab pH 4,5 und bei weiterem Abfallen des pH zu einer
Hemmung der Milchsäurebakterien an sich. Bakterien, Hefen und
Pilze benötigen beim Bioprozess in der Regel einen pH zwischen
4,5 und 7,0, Tierzellen um 7,0.
Zur Messung des pH während des Bioprozesses ist jeder Bioreaktor
mit einem pH-Sensor, einer sogenannten pH-Einstabmesskette,
ausgerüstet. Damit der Bioreaktor etwaige Abweichungen des pH
auch korrigieren kann, werden ihm zudem eine Säure und oder
eine Lauge bereitgestellt und über Schläuche und Pumpen mit
dem Kulturgefäss verbunden. Je nach Bedarf führen die Pumpen
beispielsweise Phosphorsäure, Natronlauge oder Ammoniakwasser
zu. Die Konzentration der Säure und der Lauge muss hierbei
geschickt gewählt werden: ist sie zu hoch, so können die konzentrierten
Säuren- oder Laugentropfen die Mikroorganismen schädigen,
bevor sie im Bioreaktor verteilt werden. Ist die Konzentration
hingegen zu niedrig, muss mehr Volumen der Säure oder Lauge
zugegeben werden und das Kulturmedium wird unnötig verdünnt.
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