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Neue Definitionen und Herausforderungen im Scale up

Das Scale up, d.h. die Massstabsvergrösserung, ist nicht mehr das, was es einmal war. Die Möglichkeit, ein Scale up auch bei Bioprozessen durchführen zu können, stellt seit Jahrzehnten eine ständige Forderung dar. Neue Ansätze in der Mikroben- und Zellkultivierung, wie beispielsweise die Züchtung in Einweggefässen, die Feststoff-Fermentation und der vermehrte Einsatz von Photobioreaktoren, haben zu einem Umdenken über die wahre Bedeutung des Scale up geführt.

Scale up vom Schüttler bis zum Pilotbioreaktor

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Die Ziele eines erfolgreichen Scale up lauten:

  • Homogene Umgebung (Temperatur, pH und pO2, Nährstoffe, Metaboliten, Zelldichte usw.)
  • Schüttlerbasierte Parameter (Mischdauer, Leistungsaufnahme, Umfangsgeschwindigkeit)
  • Gasbasierte Parameter (Gasflussraten)
  • Wärmeübertragung


Bei herkömmlichen Scale-up-Verfahren wurden Kessel mit schrittweise steigender Kapazität bei identischer Geometrie, identischen Gasflussraten und identischem Sauerstofftransfer verwendet. Anschliessend können einige einfache physikalische Merkmale als Äquivalenzkriterien zwischen den Massstäben herangezogen werden, z.B.

  • Konstante Umfangsgeschwindigkeit
  • Konstante Gasflussleistung/ konstantes Volumen


Umfangsgeschwindigkeit
Rührer (m/s)
Labormassstab 5 l
(rpm)
Technikmassstab 42 l
(rpm)
Pilotmassstab 300 l
(rpm)

1 354 215 114

2 707 429 229

3 1061 644 343

Figure: Konstante Rührer-Umfangsgeschwindigkeit als Scale-up-Kriterium für konventionelle Bioreaktoren.

Das Problem besteht nun darin, dass diese Kriterien die erwarteten Ergebnisse hinsichtlich Biomasse bzw. Produktivität selbst bei gut beschriebenen Kesseln und effizienter Prozesssteuerung manchmal nicht liefern. Dies wurde auf bei Bioreaktoren im Produktionsmassstab entstehende, heterogene Zonen zurückgeführt, die wiederum Bereiche entstehen lassen, in denen die lokale Zellumgebung in Bezug auf pH, pO2 und Nährlösungskonzentration (feed) so stark abweichen kann, dass ihre Stoffwechselreaktionen verändert werden (Hewitt & Nienow, 2007). Darüber hinaus ist es unmöglich, sämtliche Parameter während des Scale up konstant zu halten, da sich deren Massstab um unterschiedliche Werte erhöht. Herkömmliche Bioreaktormodelle und -prozesse unterliegen Schwankungen, die im Labormassstab nur schwer beschrieben und reproduziert werden können.

Der Einsatz neuer Technologien hat dazu geführt, dass neue Methoden zur Beurteilung der Scale-up-Kriterien notwendig geworden sind. Die auf der gängigen Kesselgeometrie, den Rührer- und Strömungsbrechergrössenverhältnissen sowie umfassenden Sensoreingangssignalen basierende Sicherheit wurde gewissermassen reduziert.

Vom Schüttelkolben zum Einwegkultivierungsbeutel

Die Möglichkeit eines Wechsels von Einweg-Entnahmerohren zu Kolben und Beuteln in einem einzigen Inkubationsschüttler wie beispielweise der Multitron Cell stellt einen enormen Vorteil beim Scale-up auf Laborebene dar. Allein die Einsparungen bei Platzbedarf und Kosten machen diese Option zu einer wünschenswerten Lösung. Doch dann stellt sich die Frage, wie man eine konstante Umgebung für die Zellen beim Wechsel von einer Gefässart zur Nächsten gewährleisten kann.

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Scale up im Feststoffbereich

Die Feststoff-Fermentation zählt zwar zu den ältesten bekannten Verfahren, doch ist ihr Einsatz in Bioprozess-Anlagen kaum bekannt. Zu den Schlüsselanwendungen, bei denen die Verwendung von Festsubstraten bzw. Schlämmen klare Vorteile bietet, zählen die Bioremediation, die Biotreibstoffproduktion aus landwirtschaftlichen Abfallprodukten sowie Spezialverfahren für die Lebensmittelherstellung.

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Scale up Photobioreaktoren

Diese Geräte stehen zurzeit im Mittelpunkt des Interesses, da auf der ganzen Welt versucht wird, auf Biotreibstoffe der dritten Generation umzusteigen, die in landwirtschaftlich nicht nutzbaren Regionen produziert werden können. Aufgrund des hohen Ölgehalts und des simplen Nährstoffbedarfs einiger Algen wurden Untersuchungen über deren diesbezügliches Potenzial durchgeführt.

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