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.
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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 | ||
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.