Bioverfahrenstechnik 

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Mehr als 40 Jahre lang wurden konven-tionelle Bioreaktoren für die Zellkul-tivierung aus Glas oder Edelstahl hergestellt. Doch nun ist eine Wachablösung in Sicht, denn  immer  mehr  Biopharmazieprodu-zenten  setzen  Einwegbioreaktoren  oder Hybridlösungen aus Ein- und Mehrweg ein. „Wichtig für die Marktakzeptanz ist vor allem die Tatsache, dass die Einwegsys-teme klassischen Edelstahlbioreaktoren, was die Erreichung von Zellendichten und Pro-dukttiter angeht, mittlerweile kaum noch nachstehen“, betont Dr. Reinhard Baum-falk, Vice President Operation Instruments bei Sartorius Stedim Biotech. 

Wellendurchmischte  Bioreaktoren  wie der Biostat Cultibag RM haben sich in den letzten Jahren erfolgreich am Markt etab-liert. Doch mittlerweile hat Sartorius Ste-dim Biotech die nächste Generation entwi-ckelt – Einwegbioreaktoren, die über klas-sische Rührkessel-Charakteristika verfügen und sich damit als echte Alternative zum gerührten Edelstahlbioreaktor empfehlen. Der Gedanke hinter der Entwicklung des Biostat Cultibag STR (Stirred Tank Reak-tor) war, möglichst direkt die Parameter aus dem klassischen Bioreaktor auf ein Einweg-system zu transferieren, damit Verfahrens-übertragungen von Edelstahlsystemen ein-facher werden. Dabei kommt es für den Entwickler nicht nur auf die relevanten Re-aktor- und Rührergeometrien an, sondern er muss auch Begasungsstrategien beachten, damit eine optimale Nährstoff- und Sauer-stoffversorgung erzielt wird. Knackpunkt vieler Einwegbioreaktoren ist die Tatsache, dass es fast  immer bei der Maßstabsüber-tragung hakt. „Sogar für die momentan am Markt befindlichen gerührten Einwegbio-reaktortypen  müssen  im  Vergleich  zum 

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Der Einwegbioreaktor Biostat Cultibag STR besteht aus einem vorsterili-sierten Einwegbeutel, der in einen Beutelcontainer eingehängt wird. 

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Einwegtechnologien machen Hersteller von Biopharmazeutika flexibel. Das gilt auch für den neuen, skalierbaren Ein-wegbioreaktor von Sartorius Stedim Biotech der über ein Rührwerk verfügt und damit die gleichen Produktionscha-rakteristika aufweist, wie der klassische Edelstahlreaktor. 

Mischen possibleEin neuer, skalierbarer gerührter Einwegbioreaktor empfiehlt sich als Alternative zu Edelstahl

wegbeutel während der Kultivierung son-dern trägt auch dasTemperiersystem (Heiz-matte oder Doppelmanteltemperiersystem), den Antriebsmotor und den Filterhalter.  Die im Biostat Cultibag STR eingesetzten Rührorgane entsprechen denen klassischer rührkesselbasierter Bioreaktoren. Sowohl scherkraftarme axial fördernde Rührorgane wie der 3-Blatt-Segment-Rührer als auch der  klassische  radial  fördernde  6-Blatt-Scheibenrührer sind verfügbar. Im 200-Li-ter-System sind bereits standardmäßig zwei Rührorgane vorinstalliert. Obwohl der Ein-satz zweier axial fördernder Rührorgane im Bereich der Zellkultur als Standard betrach-tet werden kann, bringen Kombinationen aus axial und radial  fördernden Rühror-ganen in manchen Anwendungen durchaus Vorteile. Darüber hinaus gewährleistet der Einsatz mehrerer Rührorgane niedrige Rüh-

klassischen Rührkessel neue Scale-up-Kri-terien erarbeitet werden“, erklärt Dr. Ger-hard Greller, Projektleiter bei der Entwick-lung des Cultibag STR.  

Einfachheit ist TrumpfEinwegbioreaktoren bestehen üblicher-

weise aus einem vorsterilisierten Einweg-beutel, der ohne weitere Vorbereitung direkt zur Kultivierung eingesetzt werden kann und abschließend entsorgt wird. Das spart Zeit, da Rüstzeiten entfallen und bei einem Produktwechsel die Beutel einfach ausge-tauscht werden können. SIP- (Sterilization-in-Place)  oder  CIP-  (Cleaning-in-Place) entfallen beim Einwegkonzept, was wieder-um die aufwändige Reinigungsvalidierung vereinfacht.  

Ein wichtiger Bestandteil ist der Beutel-container. Er stabilisiert nicht nur den Ein-

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wohl die aus Fermentern bekannten Bega-sungsringe mit Bohrungen  von  z.B.  0,8 Millimeter als auch Mikrosparger aus gesi-nternten Kunststoffen mit Porengrößen von z.B. 20 bis 45 Mikrometern. Beide Typen haben spezielle Vor- bzw. Nachteile. Der Begasungsring erzeugt größere Blasen, da-her ist für die gleiche Sauerstofftransferrate größere Gasdurchsatzraten nötig. Die Bil-dung kleinerer Blasen ist gleichzeitig der größte Nachteil der Mikro-spargers.  Denn  da-durch kann sich unter ungünstigen Prozess-bedingungen  auch schon bei geringen Begasungsraten ein sehr fester Schaum bilden, den dann auch ein Antischaummittel nur noch bedingt kont-rollieren kann. Um den steigenden Sauer-

stoffbedarf der wachsenden Kultur auszu-gleichen, wird üblicherweise die Begasungs-rate erhöht. Das vollständig flexible, auto-matisierte  Begasungssystem  des  neuen Einwegreaktors regelt deshalb die Zufuhr von  Luft,  Sauerstoff,  Kohlendioxid  und Stickstoff  unabhängig  voneinander.  Die bereits vorinstallierten fluoreszenzbasierten Einwegsensoren für den Sauerstoffpartial-

druck und den pH-Wert ermöglichen die Regelung die-ser wichtigen Pro-zessparameter. 

Wie  bereits  bei den  wieder  ver-

wendbaren Bioreaktorensystemen kann der Biostat Cultibag STR direkt an die hausei-gene Biopat MFCS/Win Scada-Software angeschlossen werden.     agk

Hintergrund

Gesunde Mischung Einwegtechnologien kommen langsam aber sicher. Dr. Reinhard Baumfalk, Vice President Operation Instruments und Dr. Gerhard Greller, Projektleiter Entwicklung Cultibag STR bei  Sar-torius Stedim Biotech sehen einen steigenden Anteil an Hybridinstallationen.

? WelcheAnforderungendesMarktesstehenhinterderEntwicklungdesBiostatCultibagSTR?Baumfalk: Zum einen war die Skalierbarkeit des Reaktors ein wichtiges Kriterium, um den Kunden eine problemlose Prozessentwicklung bis  zum geplanten Produktionsvolumen  zu erlauben. Daneben hat der steigende Anteil von Hybridinstallationen (gemischter Einsatz von klassischen und Einwegreaktoren) zu der Forderung nach einer hohen Vergleichbarkeit zwischen dem Einwegreaktor und einem par-allel oder alternativ betriebenen Edelstahlre-aktor  geführt.  Charakterisierungsläufe  des Cultibag STR haben bereits gezeigt, dass das Design als Rührreaktor diese Forderung voll erfüllt.

? BeiwelchenAnwendungenkannderEin-wegreaktorseineStärkenausspielen?Greller: Momentan sehen wir im Bereich der 

Zellkultur keinen Anwendungsfall bei dem der Cultibag STR nicht eine vergleichbare 

Prozessperformance erzielen könnte. Mit dem Hydrozyklone steht sogar für 

Perfusionskultivierungen ein Einwegsys-tem direkt  zur Verfügung. Durch das neu 

entwickelte Doppelmantel-Temperiersystem 

besteht auch im Cultibag STR die Möglichkeit, Temperaturprofile zur integrieren. Somit blei-ben dem Benutzer als Entscheidungskriterium bei der Auswahl des Reaktortyps die Vorteile der Einwegtechnologien sowie das reduzierte Kontaminationsrisiko, was gerade bei Anwen-dungen in der Zellkultur als besonders relevant einzustufen ist.

? ExpertensehendenEinsatzderEinwegre-aktorenbiszueinerGrößevon2000Literalsrealistischan.WelcherProduktionsmaßstabistmitdemneuenSystemmöglich?Greller:  In der Tat sind aufgrund steigender Titer und geringeren absoluten Wirkstoffbe-darfen für neue Medikamente die Arbeitsvo-lumen der Bioreaktoren und Fermenter sinkend. Daher wird auch bei Sar-torius Stedim Biotech in Zu-kunft ein Schwerpunkt der Arbeitsvolumen bis 2000  l für neue Reaktoren gese-hen. Der Cultibag STR wird deshalb  zunächst  in  den Volumen  50l,  200l  und 1000l  angeboten,  um  dem Kunden  in  dem  oben  ge-nannten Bereich eine sinnvolle  Skalie-rung zu erlauben.

? InwieweitlassensichdieVorteilederEin-wegtechnikzahlenmäßigquantifizieren?Baumfalk: Die Erfahrung hat gezeigt, dass keine allgemeine Aussage gemacht werden können, sondern eine detaillierte Analyse des betroffenen Prozessschrittes notwendig ist. Hier müssen Parameter wie Anzahl der Kulti-vierungen pro Jahr, Kosten der zur Verfügung stehenden Medien und Ressourcen, aber auch schwerer zu fassende Größen wie Kontami-nationsrisiko auf Basis der gewählten Prozess-strategie berücksichtigt werden. Als Konse-quenz etablieren sich derzeit am Markt soft-warebasierte  Analysewerkzeuge,  um  im Rahmen einer Fallanalyse eine quantifizierte Aussage treffen können. 

? GibtesinzwischeneinenStrategiewechsel,gemäßdemMotto:wegvonkonventionellenTechniken,hinzuEinweg-Technologien?Baumfalk: Als Total Solution Provider stellen wir fest, dass keine unkritische Adaptierung der Einwegtechnologien stattfindet, sondern 

beide Technologieansätze –  Klassisch/Mehr-weg und Einweg – fallweise unter Be-trachtung aller  relevanten Parameter (Kosten, Prozessgestaltung, etc.) ge-geneinander abgewogen werden. Die dabei als optimal befundene Lösung stellt sich häufig genug als Hybridlö-sung dar. 

rerumfangs-Geschwindigkeiten  und  be-rücksichtigt eine definierte prozessabhän-gige Mischzeit und einen geringen spezi-fischen  Leistungseintrag.  Ein  weiteres wichtiges Auswahlkriterium ist das Bega-sungssystem, das einfach zu regeln sein und eine optimale Sauerstoffversorgung garan-tieren soll. Obwohl Tierzellkulturen wesent-lich  weniger  Sauerstoff  verbrauchen  wie Bakterien- und Hefekulturen, ist die effizi-ente Versorgung normalerweise die größte Herausforderung beim Betrieb eines Zell-kulturbioreaktors. Neben der Sauerstoffver-sorgung der Zellen spielt auch die Konzent-ration von gelöstem Kohlendioxid als Re-gelgröße eine Rolle.

Es gibt zwei klassische Begasungsmetho-den: Die Begasung des Kopfraumes und das direkte Einblasen der Gase  durch Bega-sungsringe. Angewendet werden dabei so-

Dr. Gerhard Greller, Projekt-leiter bei der Entwicklung des Biostat Cultibag STR

Dr. Reinhard Baumfalk,  Vice President 

Operation Instruments

Zusätzliche Informationen unter www.process.deZusätzliche Informationen  unter www.process.de

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