Characterization and application of large disposable shaking bioreactors

Raval, Keyur; Büchs, Jochen

doi:HT015564994

Characterization and application of large disposable shaking bioreactors = Charakterisierung und Anwendung der großen geschüttelten Wegwerfbioreaktoren

Raval, Keyur (Author)

2008

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Keyur Raval

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2008

UmfangII, 96 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2008

Zusammenfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Büchs, Jochen (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2008-04-14

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-23980
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/50087/files/Raval_Keyur.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik (416510)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Wegwerfbioreaktor (Genormte SW) ; Charakterisierung (Genormte SW) ; Anwendung (Genormte SW) ; Leistungseintrag (Genormte SW) ; Stoffübergang (Genormte SW) ; Zellkultur (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Disposable (frei) ; Bioreactor (frei) ; Characterization (frei) ; Application (frei) ; Cell culture (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
In dieser Forschungsarbeit wird die Anwendung eines geschüttelten Bioreaktorsystems im Pilotmaßstab dargestellt. Diese sehr einfache, vielfältige und allgemein verwendbare Technologie wurde mit zylinderförmigen Einwegreaktoren kombiniert, um sie zu einer idealen Wahl für die Kultivierung von Pflanzen-, Tier- und Insektenzellkulturen zur Produktion im Pilotmaßstab zu machen. Die zylinderförmigen Reaktoren der Größe 2L, 20L und 50L wurden in Bezug auf wichtige Betriebseigenschaften wie Mischen, Leistungseintrag, Wärmeübertragungsrate und Sauerstofftransferrate eingehend charakterisiert. Die vollständige Vermischung der Flüssigkeit wurde innerhalb weniger Sekunden bei einer Schüttelfrequenz von 80 U/min erreicht. Die Leistungsaufnahme von Flüssigkeiten, deren physikalische Eigenschaften sich nicht drastisch mit der Temperatur verändern, wurde durch die Temperaturmethode gemessen. Die Methode wurde modifiziert, um die Änderungen physikalischer Eigenschaften der Flüssigkeiten mit der Temperatur zu berücksichtigen, wie z.B. die Viskosität und die Dichte. Betriebsbedingungen, in denen eine sehr schlechte Vermischung beobachtet werden konnte, wurden identifiziert und der Leistungseintrag des Reaktorsystems dimensionslos beschrieben. Hohe Wärmeerzeugungsraten wurden in 20L- und 50L-Reaktoren, besonders für Schüttelfrequenzen über 230 U/min beobachtet. Experimente zeigten eine maximale Zunahme der Flüssigkeitstemperatur für Wasser und für ein 80%-Glycerol-Wasser-Gemisch von 16 K bzw. 30 K bei 300 U/min. Während eine vollständige Belüftung für langsam wachsende Tier- und Insektenzellkulturen nicht zwingend erforlich ist, ist eine vollständige Belüftung mit Umgebungsluft jedoch besonders für Hochzelldichte-Kultivierungen schnell wachsender Pflanzenzellkultursysteme wie z.B. Nicotiana tabacum notwendig, um eine Temperaturbeanspruchung zu vermeiden. Die Sauerstofftransferrate wurde durch die gut erforschte Sulfitoxidationsmethode gemessen. Die maximalen Sauerstofftransferraten, die im 20L- und 50L-Reaktor gemessen wurden, waren 0.032 mol/L/h bzw. 0.028 mol/L/h. Der Stofftransferkoeffizient wurde mit der Energiedissipation korreliert. Die Maßstabsvergrößerung eines Produktionsprozesses für ein therapeutisches Protein, basierend auf Nicotiana tabacum Pflanzenzellsuspensionskultur, wurde erfolgreich vom 250mL-Schüttelkolben zum 50L Einwegbioreaktor durchgeführt. Die Maßstabsvergrößerung zum 2L-Einwegbioreaktor für einen Prozess zur Kultivierung tierischer Zellen, basierend auf hybridoma-cmyc Zellen, war ebenfalls erfolgreich.

Application of a shaking bioreactor system at pilot-scale level is presented in this research work. This very simple, versatile and widely used technology was combined with the cylindrical disposable reactors to make it an ideal choice for cultivation of plant, animal and insect cell cultures for pilot-scale production. Cylindrical reactors of size 2L, 20L and 50L were thoroughly characterized in terms of important engineering parameters such as mixing, power consumption, heat transfer rate and oxygen transfer rate. Complete mixing of fluid was achieved within few seconds at shaking frequencies as low as 80 rpm. Power consumption for fluids whose physical properties do not vary drastically over temperature was measured by the temperature method. The method was extended to incorporate changes in fluid physical properties such as viscosity, density etc. over temperature. Operating conditions where poor mixing might be observed were identified and a non-dimensional description of power consumption is given for the reactor system. High rates of heat generation were observed in 20L and 50L reactors especially for shaking frequencies higher than 230 rpm. Experiments revealed maximum of 16 K and 30 K increase in fluid temperature for water and a 80% glycerol/water mixture at 300 rpm, respectively. Although thorough ventilation may not be mandatory for slow growing animal and insect cell culture, a thorough ventilation of the surrounding atmosphere is mandatory, especially for high cell density cultivation of fast growing plant cell culture systems e.g. Nicotiana tabacum suspension culture to avoid any temperature stress. Oxygen transfer rate was measured by a well researched sulfite oxidation method. The maximum value of oxygen transfer rate measured in 20L and 50L reactors were 0.032 mol/L/h and 0.028 mol/L/h, respectively. Mass transfer coefficient was correlated with respect to energy dissipation. A therapeutic protein production process based on relatively less hydro-mechanical stress sensitive and one of the fastest growing N. tabacum plant cell suspension culture was successfully scaled-up from a 250 mL shake flask culture to 50L cylindrical disposable shaking bioreactor. The cell growth and protein production was comparable to that observed in other bioreactor systems. An animal cell culture process based on hybridoma-cmyc cells was also scaled-up successfully to a 2L cylindrical disposable shaking bioreactor.

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