Bioreaktortypen im Vergleich
Der Typ eines Bioreaktors wird an drei Randbedingungen entschieden, in dieser Reihenfolge: Druck und Temperatur des Prozesses, die Scherung, die die Kultur verträgt, und die Art, wie Sterilität erreicht und validiert wird. Diese Seite vergleicht gerührten Behälter, Airlift, Blasensäule, Photobioreaktor, Festbett und Einwegsystem mit den jeweils angegebenen Grenzwerten.
Sechs Typen, einer je Zeile
Die Grenzwerte in der Tabelle sind die in den Datenblättern angegebenen der jeweiligen Baureihe: Sie sind das belastbarste Auswahlkriterium, weil sie überprüfbar sind. Die beiden Typen, die Vinci nicht herstellt, bleiben in der Tabelle, denn ein Vergleich, der sie auslässt, ist kein Vergleich.
| Typ | Wie es mischt | Angegebene Grenzwerte | Wann er passt |
|---|---|---|---|
| Gerührt, aus Glas | Mechanisch, mit Rührer | 0,5 – 12 L · bis 1 bar · 80 °C mit Mantel, 60 °C mit Heizhaube · Sterilisation im Autoklaven | Prozessentwicklung und Screening, wenn die Kultur sichtbar bleiben soll |
| Gerührt, Edelstahl für den Labortisch | Mechanisch, mit Rührer | 1 – 15 L · Baureihe XLP bis 1 barg und 70 °C, Baureihen XVP und XHP bis 10 barg und 135 °C | Prozesse unter Druck oder bei hoher Temperatur schon im Labor, etwa die Gasfermentation |
| Gerührt, Edelstahl mit Sterilisation in situ | Mechanisch, mit Rührer | Von 30 L bis über 1.000 L Gesamtvolumen · integrierte SIP- und CIP-Zyklen · kLa ≥ 200 h⁻¹ | Mikrobielle Prozesse mit hohem Sauerstoffbedarf, GMP-Umgebungen, Scale-up Richtung Produktion |
| Airlift | Pneumatisch, allein über den Gasstrom: kein Rührer | 0,5 – 12 L in Borosilikatglas, als Ausführung des Photobioreaktor-Satzes | Kulturen, die keine Scherung vertragen: Mikroalgen, Cyanobakterien, Myzel |
| Photobioreaktor | Pneumatisch (Airlift) oder mechanisch, wahlweise | 0,5 – 12 L · mehrkanalige LED, PAR von 0 bis 2.500 µmol/m²·s · 2 bis 70 °C · PAR-Sensor | Photosynthetische Kulturen, in denen das Licht ein Prozessparameter ist wie der pH |
| Einweg | Mechanisch, mit Rührer | 0,35 – 40 L Gesamtvolumen · 0 bis 0,5 barg · +4 bis +50 °C · bis zu 12 Reaktoren parallel | Schneller Wechsel zwischen Projekten und keine Reinigungsvalidierung: der Fluidweg kommt steril an |
| Blasensäule nicht hergestellt | Pneumatisch, ohne Steigrohr: keine vorgegebene Umwälzung | — | Prozesse mit geringem Mischbedarf; Vinci stellt diesen Typ nicht her |
| Festbett nicht hergestellt | Die Flüssigkeit durchströmt ein Bett aus Trägern, auf denen die Zellen haften | — | Adhärente Zellen und längere Perfusion; Vinci stellt diesen Typ nicht her |
Die Volumina der von Vinci hergestellten Typen sind Gesamtvolumina, wie auf den Produktseiten. Das Arbeitsvolumen liegt darunter: auf der Seite Scale-up ist der Weg im Arbeitsvolumen angegeben.
Drei Fragen, in dieser Reihenfolge
Bei welchem Druck und welcher Temperatur läuft der Prozess?
Das ist der erste und schärfste Filter: Er schließt ganze Typen aus, bevor irgendetwas anderes abgewogen wird. Über 1 bar fällt Glas weg; über 0,5 barg oder 50 °C fällt das Einwegsystem weg; über 70 °C bleiben die für Druck ausgelegten Edelstahlbaureihen.
Wie viel Scherung verträgt die Kultur?
Eine Kultur, die sie nicht verträgt, schließt den Rührer aus und führt zum Airlift, wo allein der Gasstrom die Flüssigkeit bewegt. Eine robuste Kultur gewinnt dagegen durch die kräftigere Mischung eines gerührten Behälters.
Wie wird Sterilität erreicht, und wer validiert sie?
Der Autoklav begrenzt das Volumen auf das, was hineinpasst. SIP sterilisiert die Anlage im bereits montierten und angeschlossenen Zustand und ist ab einem bestimmten Volumen der einzige Weg. Das Einwegsystem verlagert die Frage nach vorn: Es kommt steril an, und an die Stelle der Reinigungsvalidierung treten die Chargenzertifikate des Lieferanten.
Wie viel eine Kultur verträgt
Die Scherung wird auf zwei Arten beziffert, die zusammen zu lesen sind: die im Flüssigkeit dissipierte spezifische Leistung in Watt je Kubikmeter und die Umfangsgeschwindigkeit des Rührers in Metern je Sekunde. Die Bereiche unten sind keine Vinci-Werte: Es sind Größenordnungen aus der Literatur, nützlich um eine Kultur einzuordnen, bevor etwas ausgelegt wird. Jeder Stamm hat seine eigene Empfindlichkeit, und eine Drehmomentmessung an der realen Anlage sagt mehr als jeder Bereich.
| Kultur | Spezifische Leistung · Umfangsgeschwindigkeit | Quelle |
|---|---|---|
| Säugerzellen (CHO, HEK293) | 10 – 100 W/m³ · 1 – 2 m/s typisch | Nienow, Cytotechnology 50 (2006) 9–33 |
| Bakterien und Hefen | 1 – 5 kW/m³ · 3 – 7 m/s typisch | Doran, Bioprocess Engineering Principles, 2nd ed. |
| Mikroalgen | Die Empfindlichkeit schwankt zwischen den Arten zu stark, als dass ein einziger Bereich ehrlich wäre: Deshalb kommt hier der Airlift zum Einsatz, der den Rührer aus der Gleichung nimmt. | |
Auf Vinci-Anlagen wird die Scherung mit dem optionalen Drehmomentmodul gemessen, vorgesehen für die Überwachung von Viskosität und Scherung während des Prozesses.
Sagen Sie uns, wie Ihr Prozess läuft
Druck, Temperatur, Kultur und Menge je Charge: Mit diesen vier Angaben schrumpft die Auswahl auf einen oder zwei Typen, und unser Ingenieurteam antwortet innerhalb von 24 Stunden.
Häufige Fragen
Das Volumen steht nicht am Anfang: Es ergibt sich aus der Produktmenge je Charge und der erwarteten Ausbeute des Prozesses, und erst danach wird geprüft, ob der Typ den geforderten Druck, die Temperatur und die Scherung aushält. Der Vinci-Weg deckt 250 mL bis über 1.000 L Arbeitsvolumen in vier Stufen ab, die sich die Steuerungsplattform teilen, sodass ein im Labor entwickelter Prozess übertragen wird, ohne die Automatisierung neu zu schreiben.
Beide mischen allein über den Gasstrom, ohne Rührer. Der Airlift hat ein Steigrohr, das die Zone, in der das Gas aufsteigt, von jener trennt, in der die Flüssigkeit wieder herabfließt, und das erzwingt eine definierte Umwälzung: Die Flüssigkeit läuft immer dieselbe Schleife. Die Blasensäule hat keines, die Durchmischung ist dort also weniger vorhersehbar. Vinci stellt Airlift her, keine Blasensäulen.
Die Grenzwerte entscheiden vor der Wirtschaftlichkeit: über 40 L Gesamtvolumen, über 0,5 barg oder über 50 °C ist Einweg keine Option, und der Edelstahl übernimmt. Unterhalb dieser Grenzen lohnt sich Einweg dort, wo häufig das Projekt wechselt, weil Reinigung und deren Validierung entfallen; Edelstahl lohnt sich dort, wo derselbe Prozess lange läuft und sich die Kosten der Verbrauchsbehälter summieren.
Für Vinci ist Bioreaktor der Oberbegriff, und Fermenter bezeichnet einen für Mikroorganismen ausgelegten Bioreaktor: kräftigere Begasung, Rushton-Rührer, höhere spezifische Leistung. Der Unterschied liegt in der Auslegung, nicht in der Maschine — dieselbe Steuerung führt beide Fälle, und die Einwegbehälter tragen die beiden Kürzel SUB und SUF auf demselben Behälter.