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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kontrollierten Zuführung von Substrat aus einem Substratbehälter in einen Bioreaktor zur Zellkultivierung über eine in einer Substratzuleitung zu einem Reaktorinnenraum des Bioreaktors angeordnete Substratpumpe, wobei die Substratpumpe mit einer Steuer- und Regeleinheit zur Steuerung der Substratpumpe in Verbindung steht, und wobei eine Abluftleitung des Reaktorinnenraumes mit einer Abgasanalytik zur Ermittlung eines CO2-Ausgangssignals verbunden ist.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur kontrollierten Zuführung von Substrat aus einem Substratbehälter in einen Bioreaktor zur Zellkultivierung über eine in einer Substratzuleitung zu einem Reaktorinnenraum des Bioreaktors angeordnete Substratpumpe, die mit einer Steuer- und Regeleinheit zur Steuerung der Substratpumpe in Abhängigkeit von einem CO2-Steuersignal in Verbindung steht, wobei in einer Abluftleitung des Reaktorinnenraumes über eine mit der Steuer- und Regeleinheit verbundene Abgasanalytik ein CO2-Ausgangssignal ermittelt wird.
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Stand der Technik
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Um das Wachstum von Organismen zu verlängern, zu beeinflussen oder die Produktregelung zu steuern, werden Fed-Batch Prozesse genutzt. Diese zeichnen sich dadurch aus, dass eine definierte Menge eines Substrats (meistens eine Kohlenstoffquelle) zu der Zellsuspension zugegeben wird. Damit ein Kultivierungsprozess erfolgreich ist, ist eine exakte Regelung der Substratzugabe notwendig.
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Aus der
EP 0 345 588 A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur kontrollierten Zuführung von Substrat aus einem Substratbehälter in einen Bioreaktor zur Zellkultivierung bekannt. Der Substratbehälter ist über eine Substratzuleitung mit einem Reaktorinnenraum des Bioreaktors verbunden. In der Substratzuleitung ist eine Substratpumpe angeordnet, wobei die Substratpumpe mit einer Steuer- und Regeleinheit zur Steuerung der Substratpumpe in Verbindung steht. Eine Abluftleitung des Reaktorinnenraumes ist mit einer Abgasanalytik zur Ermittlung eines CO
2-Ausgangssignals verbunden.
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Nachteilig bei der bekannten Vorrichtung und dem Verfahren ist, dass das in der Abluftleitung ermittelte CO2-Ausgangssignal der Steuer- und Regeleinheit direkt zur Steuerung der Substratpumpe dient. Als Messgröße für die Regelung der Substratversorgung dient damit allein die CO2-Konzentration der Abluft. Dies reicht jedoch nur unzureichend aus, um den Feed- bzw. Substratzufluss mittels einer Feedback-Kontrolle online zu regeln und schnell auf eventuelle Prozessabweichungen zu reagieren.
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Aus der
DE 40 37 325 C2 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur kontrollierten Zuführung eines Substrats bzw. Nährmediums (zum Beispiel Glucose) aus einem Substratbehälter in einen Bioreaktor (Fermenter) zur Zellkultivierung bekannt. Die Zudosierung des Nährmediums wird dabei über einen Leitparameter gesteuert, dessen Wert ständig bestimmt wird. Als Leitparameter kann dabei die CO
2-Konzentration über eine CO
2-Messsonde im Reaktorinnenraum des Bioreaktors ständig erfasst werden.
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Nachteilig bei der CO2-Messung im Medium des Reaktorinnenraumes ist, dass dieser Wert nicht geeignet ist, Rückschlüsse auf die verbrauchte Substratmenge im Medium vorzunehmen, da sich im Reaktorinnenraum im Medium ein Gleichgewichtswert einstellt.
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Aufgabenstellung
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung die bekannten Bioreaktoren und Verfahren zur kontrollierten Zuführung von Substrat in einen Bioreaktor zur Zellkultivierung so zu verbessern, dass die Zuführung von Substrat - also des Feeds - mittels einer Feedback-Kontrolle einfach und sicher geregelt und online direkt auf Prozessabweichungen reagiert werden kann.
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Darlegung der Erfindung
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Die Aufgabe wird bezüglich der Vorrichtung in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass eine CO2-Zuleitung über einen Massendurchflussregler mit dem Reaktorinnenraum zur Zuführung von CO2 in Verbindung steht, dass der Massendurchflussregler mit der Steuer- und Regeleinheit zur Ermittlung eines CO2-Eingangssignals verbunden ist, und dass die Substratpumpe in Abhängigkeit eines aus der Differenz vom CO2-Eingangssignal und CO2-Ausgangssignal gebildeten CO2-Steuersignals steuerbar ist.
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Im Sinne dieser Anmeldung umfasst der Begriff der Zellkultur auch Kulturen von Mikroorganismen.
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Dadurch, dass die Differenz vom CO2-Eingangssignal und CO2-Ausgangssignal als Steuersignal für die Substratpumpe genutzt wird, werden eventuelle Prozessabweichungen sofort erkannt und gehen direkt, also unmittelbar, in die Steuerung der Substratpumpe ein. Da beim aeroben Stoffwechsel der zu kultivierenden Zellen im Atmungsstoffwechsel CO2 (Kohlendioxyd) ausgeschieden wird, korreliert das CO2-Ausgangssignal ebenfalls mit dem Zellwachstum. Auch ist das CO2-Ausgangssignal, welches über eine Abgasanalytik aufgezeichnet wird, sehr stabil und wird beispielsweise durch eine Zugabe von reinem O2 nicht beeinflusst. In das CO2-Eingangssignal gehen Prozessabweichungen unmittelbar ein und werden über das CO2-Steuersignal bei der Substratzugabe über die Steuerung der Substratpumpe ausgeglichen.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Substratpumpe durch ein von der Steuer- und Regeleinheit aus dem CO2-Steuersignal gebildetes Pumpenansteuerungssignal steuerbar. In dem Pumpenansteuerungssignal können erkannte Prozessabweichungen berücksichtigt und schneller ausgeglichen werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die CO2-Zuleitung reaktorseitig mit einem im Reaktorinnenraum angeordneten Begasungselement verbunden ist. Auch kann im Reaktorinnenraum ein Rührelement angeordnet sein
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Die Aufgabe bezüglich des Verfahrens wird in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruches 3 dadurch gelöst, dass dem Reaktorinnenraum über einen mit der Steuer- und Regeleinheit in Verbindung stehenden Massendurchflussregler CO2 zugeführt und ein CO2-Eingangssignal ermittelt wird, und dass das CO2-Steuersignal aus der Differenz des CO2-Eingangssignals und des CO2-Ausgangssignals gebildet wird.
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Dadurch, dass beim erfindungsgemäßen Verfahren ein aus der Differenz vom CO2-Eingangssignal und CO2-Ausgangssignal gebildetes CO2-Steuersignal gebildet wird, auf dessen Grundlage die Substratpumpe geregelt wird, werden eventuelle Prozessabweichungen sofort erkannt und gehen direkt, also unmittelbar, in die Steuerung der Substratpumpe ein. Da beim aeroben Stoffwechsel der zu kultivierenden Zellen im Atmungsstoffwechsel Kohlendioxyd (CO2) ausgeschieden wird, korreliert das CO2-Ausgangssignal ebenfalls mit dem Zellwachstum. Auch ist das CO2-Ausgangssignal, welches über eine Abgasanalytik aufgezeichnet wird, sehr stabil und wird beispielsweise durch eine Zugabe von reinem Sauerstoff (O2) nicht beeinflusst. In das CO2-Eingangssignal gehen Prozessabweichungen unmittelbar ein und werden über das CO2-Steuersignal bei der Substratzugabe über die Steuerung der Substratpumpe ausgeglichen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann für mikrobielle Applikationen genutzt werden. Auch ist ein Einsatz für Säugetierzellen, Pflanzenzellen oder Insektenzellen möglich.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das CO2-Steuersignal von der Steuer- und Regeleinheit verarbeitet und die Substratpumpe durch ein entsprechendes Pumpenansteuerungssignal angesteuert.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das CO2-Steuersignal von der Steuer- und Regeleinheit verarbeitet und mit einem Sollwert verglichen. Eventuelle Abweichungen des Istwertes von dem Sollwert werden durch entsprechend korrigierte Pumpenansteuerungssignale der Substratpumpe ausgeglichen.
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Die Substratpumpe führt eine dem Pumpenansteuerungssignal entsprechende Menge einer Substratlösung aus dem Substratbehälter dem Reaktorinnenraum zu. Beispielsweise führt die Substratpumpe dem Reaktorinnenraum Glukose aus dem Substratbehälter als Feedlösung zu. Je nach Kultivierung kann aus dem Substratbehälter auch ein Substrat mit einer geeigneten Kohlenstoffquelle zugeführt werden.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann dem Reaktorinnenraum über einen mit der Steuer- und Regeleinheit in Verbindung stehenden Massendurchflussregler zusätzlich Sauerstoff (O2) zugeführt werden. Grundsätzlich kann dies über einen eigenen Massendurchflussregler oder den Massendurchflussregler für das Kohlendioxyd erfolgen.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur kontrollierten Zuführung von Substrat aus einem Substratbehälter in einen Bioreaktor;
- 2: eine Korrelation eines CO2-Ausgangssignals der Abgasanalytik mit der spezifischen Wachstumsrate µ für einen Escherichia coli Prozess mit µ = 0,7 h-1;
- 3: Ergebnisse aus einer E. coli Fed Batch Kultivierung mit einer Wachstumsrate µ = 0,15 h-1. Die zugeführte Menge an Glukose ist über den Volumenstroms der Feedlösung (Feed flow rate) dargestellt;
- 4: Ergebnisse aus einer E. coli Fed Batch Kultivierung mit einer Wachstumsrate µ = 0,4 h-1. Die zugeführte Menge an Glukose ist über den Volumenstroms der Feedlösung (Feed flow rate) dargestellt.
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Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 besteht im Wesentlichen aus einem Bioreaktor 2 mit einem Reaktorinnenraum 3, einem Substratbehälter 4, einer Substratpumpe 5, einem Massendurchflussregler 6 und einer Steuer- und Regeleinheit 7.
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Der Bioreaktor 2 weist in seinem Reaktorinnenraum 3 neben einem Rührelement 8 ein Begasungselement 9 auf, das mit einem reaktorseitigen Ende 10 einer CO2-Zuleitung 11 verbunden ist. Die CO2-Zuleitung 11 ist mit dem Massendurchflussregler 6 verbunden, dem aus einer nicht dargestellten CO2-Quelle Kohlendioxyd (CO2) zugeführt wird. Aus einer nicht dargestellten O2-Quelle kann über den Massendurchflussregler 6 dem Reaktorinnenraum 3 auch Sauerstoff (O2) zugeführt werden. Dies ist grundsätzlich auch über einen nicht dargestellten zweiten Massendurchflussregler mit entsprechender Sauerstoffleitung zum Reaktorinnenraum 3 möglich.
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Über eine mit Reaktorinnenraum 3 verbundene Abluftleitung 12 kann CO2 und gegebenenfalls auch O2 entweichen. Die Abluftleitung 12 ist mit einer Abgasanalytik 13 zur Ermittlung eines CO2-Ausgangssignales verbunden. Die Abgasanalytik 13 ihrerseits steht mit der Steuer- und Regeleinheit 7 in Verbindung.
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Die Steuer- und Regeleinheit 7 ermittelt über den Massendurchflussregler 6 ein CO2-Eingangssignal und bildet aus der Differenz von CO2-Eingangssignal und dem von der Abgasanalytik 13 gemessenen CO2-Ausgangssignal ein CO2-Steuersignal, auf dessen Grundlage von der Steuer- und Regeleinheit 7 ein Pumpenansteuerungssignal zur Ansteuerung der Substratpumpe 5 gebildet wird, die aus dem Substratbehälter 4 Substrat über eine Substratzuleitung 14 in den Reaktorinnenraum 3 des Bioreaktors 2 pumpt.
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Aus dem Verlauf der CO2-Konzentration können Aussagen über das Wachstumsverhalten der zu kultivierenden Zellen errechnet werden. Das Wachstum (spezifische Wachstumsrate µ) ist direkt proportional zum CO2-Steuersignal. Das Wachstum hängt ab von der zugeführten Substratmenge, beispielweise der zugeführten Glukosemenge.
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In 2 ist eine Korrelation des CO2-Signals der Abgasanalytik 13 mit der spezifischen Wachstumsrate µ für einen Escherichia coli Prozess mit einer spezifischen Wachstumsrate von µ = 0,7 h-1 dargestellt.
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In 3 sind Ergebnisse aus einer E. coli Fed Batch Kultivierung mit einer Wachstumsrate µ = 0,15 h-1 und aus 4 sind Ergebnisse aus einer E. coli Fed Batch Kultivierung mit einer Wachstumsrate µ = 0,4 h-1 dargestellt. Die zugeführte Menge an Glukose ist jeweils über den Volumenstroms der Feedlösung (Feed flow rate) dargestellt. Es ist deutlich zu sehen das der Anstieg der Feed flow rate analog zu dem CO2-Signal ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Bioreaktor
- 3
- Reaktorinnenraum
- 4
- Substratbehälter
- 5
- Substratpumpe
- 6
- Massendurchflussregler
- 7
- Steuer- und Regeleinheit
- 8
- Rührelement
- 9
- Begasungselement
- 10
- reaktorseitiges Ende von 11
- 11
- CO2-Zuleitung
- 12
- Abluftleitung
- 13
- Abgasanalytik
- 14
- Substratzuleitung
