Einweg-Bioreaktor

Ein Einweg-Bioreaktor ist ein Bioreaktor aus Einwegmaterial. Im englischen Sprachgebrauch wird er als Disposable Bioreactor oder Single-use Bioreactor bezeichnet. Der erste kommerzielle Einweg-Bioreaktor im Liter-Maßstab war der Wave-Bioreaktor der Firma Wave-Biotech aus dem Jahr 1998.^[1] In der Zwischenzeit werden Einweg-Bioreaktoren von vielen namhaften Bioreaktorherstellern vertrieben.

Einweg-Technologie bei Bioreaktoren

In der tierischen Zellkulturtechnik ersetzen Einweg-Bioreaktoren vermehrt traditionelle Bioreaktoren. Im Gegensatz zu herkömmlichen Systemen, kommen bei Einweg-Bioreaktoren vorsterilisierte Einwegbeutel zum Einsatz. Der Einwegbeutel ersetzt dabei das traditionelle Kulturgefäß aus Glas oder Edelstahl. Für Bioprozessanwendungen werden meistens dreilagige Verbundfolien als Einwegmaterial eingesetzt. Diese bestehen aus einer mechanischen Stützschicht (z. B. PET, LDPE), einer gasundurchlässigen Barriereschicht (z. B. EVA, PVDC) und einer Kontaktschicht (z. B. EVA, PP). ^[2] Für viele Anwendungen müssen die Einwegmaterialien von einer Arzneimittelzulassungsbehörde zertifiziert sein.

Einteilung von Einweg-Bioreaktoren

Wie andere Bioreaktoren auch, lassen sich Einweg-Bioreaktoren nach der Art des mechanischen Energieeintrags sowie der Art der Prozessführung einteilen.

Art des Energieeintrags

Um eine ausreichende Durchmischung des Reaktorgutes zu erreichen werden verschiedene Arten des Energieeintrags verwendet. Neben der Rührkesseltechnologie werden auch Schüttel- und Wipptechnologien eingesetzt. Das zurzeit am weitesten verbreitete Antriebsprinzip ist der Bioreaktor mit Wipptechnologie.

Art der Prozessführung

Neben den klassischen Verfahren wie satzweise, kontinuierliche oder zufütterungsbasierte Kultivierung kommt auch die Perfusionskultur zum Einsatz. Bei Bioreaktoren mit Perfusionsmodul wird der Kulturraum in zwei Kompartimente aufgeteilt: einen Wachstumsraum, in dem sich die Zellen befinden, und einen zellfreien Metabolit- / Nährstoff-Raum. Die Trennung der beiden Räume erfolgt durch eine semipermeable Membran. Durch ihr Wegwerfprinzip eignen sich Einweg-Bioreaktoren besonders für die Perfusionskultur. Es gibt sowohl kleinvolumige Laborreaktoren als auch Systeme im 100-L-Maßstab.

Man unterscheidet zwischen Flachmembran-Bioreaktoren und Hohlfaserkartuschen. Durch die semipermeable Membran gelangen die nötigen Nährstoffe in den Wachstumsraum und stehen den Zellen zur Verfügung. Gleichzeitig diffundieren wachstumslimitierende Stoffwechselprodukte in den Metabolit- / Nährstoff-Raum. Dadurch lassen sich sehr hohe Zelldichten erreichen. Der Bioreaktor-Aufbau gestaltet sich jedoch im Vergleich zu den anderen Kultursystemen komplexer. Ein Hohlfaserreaktor besteht zum Beispiel aus tausenden von Hohlfasern, welche ein Kapillarsystem simulieren. Folglich ist das Scale-up nur beschränkt möglich.

Vor- und Nachteile der Einweg-Technologie

Gegenüber Edelstahlanlagen haben Einwegmaterialien einige Vorteile. Durch die Einwegtechnologie werden aufwendige Reinigungs- und Sterilisationsverfahren vermieden, was insbesondere in der pharmazeutischen Produktion zu weniger komplexen Qualifizierungs- und Validierungsverfahren und damit zu erheblichen Kosteneinsparungen führt.^[3] Wie andere Einwegtechnologien auch, vermindert der Einsatz von Einweg-Bioreaktoren das Risiko von Kreuzkontaminationen und erhöht damit die Bio- und Prozesssicherheit. Sie sind daher von besonderen Interesse für die Herstellung von biologischen Präparaten.

Im Vergleich zu traditionellen Bioreaktoren bestehen Einweg-Bioreaktoren oft nur aus sehr wenigen Teilen. Damit sind die Anschaffungskosten niedriger und der Wartungsaufwand ist stark vermindert.

Mechanische Belastungen (z. B. hohe Scherkräfte) können insbesondere bei scherempfindlichen Zellen zu beträchtlichen Zellschädigungen führen.^[4] Einweg-Bioreaktoren die auf Wipptechnologie basieren, zeichnen sich durch geringere Energiedichten aus und erlauben damit schonendere Kultivierungsverfahren als traditionelle Rührkesselsysteme. Nachteilig wirken sich geringere Energiedichten auf die Stofftransportkoeffizienten aus (z. B. Sauerstoffeintrag), so erzielen Wippbioreaktoren in der Regel niedrigere k_La-Werte als vergleichbare Rührkesselreaktoren.

Bei Einweg-Bioreaktoren besteht gegenwärtig noch der Nachteil in ihrer Limitierung beim Scale-up, ihr Arbeitsvolumen ist zurzeit auf 1000 L beschränkt. Das Fehlen von peripheren Einrichtungen für die Einwegsysteme stellt ebenfalls noch ein zu behebendes Problem dar.

Quellen

1. ↑ Wave-Biotech Homepage
2. ↑ Barbaroux M., Sette A.: Properties of Materials Used in Single-Use Flexible Containers: Requirements and Analysis.. In: BioPharm International. 11, 2006
3. ↑ Morrow K.J.: Disposable Bioreactors Gaining Favor: New Components and Systems Improve Process Reliability and Reduce Cost.. In: Genetic Engineering News. 26, Nr. 12, 2006, S. 42-45
4. ↑ Winfried Storhas: Bioreaktoren und periphere Einrichtungen: Ein Leitfaden für die Hochschulausbildung, für Hersteller und Anwender, S. 60 - 61, Springer-Verlag 1994, ISBN 978-3-540-67054-4

Siehe auch

• Laborfermenter
• Pharmazeutische Biotechnologie