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Ein Bioreaktor ist ein Behälter, in dem lebende Zellen oder Mikroorganismen unter präzise kontrollierten Bedingungen wachsen und ein gewünschtes Produkt bilden. Er unterscheidet sich von einem einfachen Kulturgefäss dadurch, dass Temperatur, pH-Wert, Sauerstoffgehalt und Durchmischung nicht nur gemessen, sondern aktiv geregelt werden.
Bioreaktortypen und deren Unterschiede
Der Begriff Bioreaktor umfasst mehrere Bauformen. Sie unterscheiden sich vor allem darin, wie sie durchmischen und wie sie Sauerstoff in die Flüssigkeit eintragen. Im Wave-Reaktor erzeugt eine wippende Plattform die Bewegung — sehr schonend, aber mit begrenztem Sauerstoffeintrag. In Blasensäulen und Airlift-Reaktoren übernehmen aufsteigende Gasblasen beide Aufgaben zugleich. Festbett- und Hohlfasersysteme wiederum eignen sich für adhärente Zellen bei hoher Zelldichte.
Der Rührreaktor ist der häufigste Reaktortyp und Gegenstand dieses Artikels. Er erlaubt als einziger Typ, Durchmischung, Begasung, Temperatur und pH-Wert unabhängig voneinander zu regeln und lässt sich bis zu mehreren Tausenkubiklitern hochzuskaliere. Damit lässt sich das Prinzip des Regelkreises daran am klarsten zeigen. Die zugrunde liegende Logik — messen, vergleichen, eingreifen — gilt aber für alle Bauformen.
Kultivierungsbedingungen
Was die Kultur wirklich braucht
Damit Zellen zuverlässig und reproduzierbar wachsen, müssen folgende Bedingungen vorhanden sein.
Homogene Verteilung von Zellen, Nährstoffen, Zusatzstoffen und gelöste Gase.
Ausreichender Stofftransport von der Gasphase in die Flüssigphase. Bei anaeroben Kultivierungen wird kein Sauerstoff benötigt.
Je nach Organismus konstant über ganze Kultivierungsdauer mit optionalem Temperaturshift für optimierte Produktion. Bei Säugerzellen typischerweise bei 37 °C, bei Mikroorganismen unterschiedlich je nach Zelltyp. In der Regel liegt diese um 25 °C.
Essentieller Wert und spezifisch für jede Kultivierung. pH Wert ist abhängig vom Organismus und vom herzustellenden Produkt.
Ausschluss unerwünschter Mikroorganismen und weiterer Kontaminanten über die gesamte Laufzeit der Kultivierung.
Aufbau: die Komponenten eines Bioreaktorsystems
Ein Bioreaktorsystem besteht immer aus zwei Teilen — dem Reaktorgefäss und der Steuereinheit.
Das Reaktorgefäss
Das Reaktorgefäss kann aus Glas, Edelstahl oder Kunststoff (Single-Use) bestehen. Je nach Typ besteht es aus unterschiedlichen Komponenten. Hier eine Übersicht der häufigsten Komponenten.
- Gefäss und Kopfplatte: autoklavierbarer Glasbioreaktor, Edelstahl oder ein Single-Use. Die Kopfplatte trägt sämtliche Anschlüsse für Sonden, Zugabeleitungen und Begasung. Teilweise können Zugabe und Entnahme über Seiten oder Bodenverbindungen erfolgen
- Rührsystem: magnetisch oder direkt gekoppelt über Lippendichtung, mit Rührerblättern, die auf den Organismus abgestimmt sind — schonend für Säugerzellen, leistungsstark für mikrobielle Fermentationen.
- Begasung: ein Sparger führt Luft, Sauerstoff, Stickstoff oder CO₂ in die Flüssigkeit ein.
- Temperierung: Einwandig über Heizmanschette & Kühlfinger oder Doppelwandgefäss mit Thermostat. Bei kleinen Bioreaktorsystemen besteht die Möglichkeit der Kühlung und Heizung mittels Peltier Modul.
- Sonden: pH, gelöster Sauerstoff (dO₂), Temperatur, bei Bedarf zusätzlich Füllstand, Abluft, Schaum, Druck, Biomasse oder CO₂ und vieles mehr
- Abluftkondensator: verhindert Volumenverlust und hält das System geschlossen.
Gefässmaterial
Glas, Edelstahl oder Kunststoff
Das Material des Gefässes bestimmt, wie ein Prozess vorbereitet, sterilisiert und gewechselt wird.
Ist im Labormassstab am weitesten verbreitet. Der Prozess bleibt sichtbar, das Gefäss wird im Autoklaven sterilisiert und über viele Läufe wiederverwendet. Getinge Applikon bietet autoklavierbare Glasreaktoren mit 2 bis 20 L Gesamtvolumen, einwandig oder mit Doppelmantel für die Temperierung über einen Thermostaten. Die Grenzen liegen bei Druck und Volumen.
Kommt bei grösseren Volumen zum Einsatz, sobald in situ sterilisiert wird (SIP) oder höhere Drücke gefahren werden. Solche Systeme sind fest installiert, gelten als robust und langlebig, erfordern aber mehr Infrastruktur — Dampf, Kühlwasser, Reinigungskreisläufe. Getinge Applikon bietet Systeme ab 30 L – 5000 L.
Das Einweggefäss kommt gammasterilisiert beim Kunden an, wird zur Kultivierung engesetzt und nach dem Lauf entsorgt. Das verkürzt die Vorbereitungszeit deutlich und senkt das Kreuzkontaminationsrisiko erhelblich. Dafür steigen die laufenden Kosten pro Ansatz, und die Verfügbarkeit der Verbrauchsmaterialien muss eingeplant werden. Der AppliFlex ST deckt diesen Bereich mit 500 mL bis 15 L ab.
Die Steuereinheit
Der Controller ist das Bindeglied zwischen Messung und Eingriff. Er übernimmt fünf Aufgaben:
- Ansteuerung der Aktoren — Pumpen, Ventile, Massendurchflussregler, Rührwerk, Heizung
- Prozessregelung über definierte Regelkreise
- Aufzeichnung & Darstellung der Prozessdaten als Zahlenwerte und Trendkurven
- Alarmierung bei Abweichungen von den Sollwerten
- Datenschnittstelle zu SCADA- oder PIMS-Software für Aufzeichnung und erweiterte Regelstrategien
Bei den Systemen von Getinge Applikon reicht das Spektrum vom my-Control für kleine Arbeitsvolumina bis zum Livit Flex, der Mehrfach- und Single-Use-Reaktoren auf einer gemeinsamen Plattform bedient.
Der Regelkreis — das Prinzip dahinter
Jede geregelte Grösse folgt demselben geschlossenen Kreislauf:
-
Sensor misst Ist-Wert
im Bioreaktor -
Controller vergleicht ihn mit dem hinterlegten Sollwert
-
Regler wird aktiv und passt den Prozess an
-
Sonde misst erneut
Praxistipp von Team Resea
Der häufigste Grund für einen instabilen Prozess ist nicht der Bioprozess Controller, sondern ein einzelnes Element im Regelkreis — zum Beispiel ein Sensor. Eine Messkette liefert nur dann brauchbare Werte, wenn sie korrekt kalibriert und gewartet ist: die pH-Sonde vor dem Autoklavieren, die amperometrische dO₂-Sonde nach einer ausreichenden Polarisationszeit von rund sechs Stunden und mit frischem Elektrolyt.
Bevor Sie also PID-Parameter anpassen, lohnt sich immer ein Blick auf die Sensorkalibration, den Zustand der Membran oder die Verkabelung der Sonde. In unseren Serviceeinsätzen lassen sich viele vermeintliche Regelungsprobleme lösen, indem die einzelnen Elemente des Regelkreises systematisch überprüft werden.
