DE102007027914A1 - Sterilizable sensor for monitoring biochemical processes in fermenters - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Reaktor für biologische Prozesse, welcher eine Messsonde aufweist, wobei die Messsonde ein Substrat aufweist, welches ein Adhäsionssubstrat für Zellen ist. Durch das Aufwachsen der in dem Reaktor befindlichen Zellen auf die Messsonde wird daraus ein biochemischer Sensor, der Aussagen über die biochemischen Prozesse bzw. den Zustand der Zellen in dem Reaktor geben kann.The invention relates to a reactor for biological processes, which has a measuring probe, wherein the measuring probe has a substrate, which is a adhesion substrate for cells. The growth of the cells in the reactor onto the measuring probe results in a biochemical sensor which can give information about the biochemical processes or the state of the cells in the reactor.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Reaktor für biologische Prozesse sowie ein Verfahren zur Steuerung eines Reaktors für biologische ProzesseThe The present invention relates to a reactor for biological Processes and a method for controlling a reactor for biological processes
Reaktoren für biologische Prozesse, auch Bioreaktor oder Fermenter genannt, sind Behälter, in welchen Mikroorganismen oder Zellen unter kontrollierten Bedingungen kultiviert werden können. Sie werden verwendet zur Gewinnung der Zellen oder Mikroorganismen selbst, zur Gewinnung von Stoffwechselprodukten, für Klärprozesse und ähnliche Verfahren.reactors for biological processes, also bioreactor or fermenter called, are containers in which microorganisms or Cells can be cultured under controlled conditions. They are used to recover the cells or microorganisms itself, for the production of metabolic products, for clarification processes and similar methods.
Es gibt Reaktoren, die in sog. Batch-Verfahren verwendet werden, d. h. der Reaktor wird einmal beschickt und nach Ablauf einer bestimmten Reaktionsdauer wieder geleert, um das Reaktionsprodukt zu gewinnen. Daneben sind auch Reaktoren bekannt, die kontinuierlich arbeiten.It there are reactors used in so-called batch processes, d. H. the reactor is charged once and after a certain Reaction time emptied to recover the reaction product. In addition, reactors are known that work continuously.
Um eine optimale Produktausbeute zu erhalten, werden die Reaktionsbedingungen im Reaktorinneren mit Hilfe von Messsonden oder Sensoren überwacht. Dabei werden zum Beispiel Parameter überwacht, wie pH-Wert, Sauerstoffgehalt, Temperatur, optische Dichte und Konzentration von spezifischen Substanzen, wie z. B. Glukose oder Laktat. Die aus den Sensorsignalen gewonnenen Daten können zur Prozesssteuerung verwendet werden, um die Reaktionsführung durch Beeinflussung verschiedener Regelgrößen zu steuern, z. B. Temperatur, Nährstoffzufuhr, Sauerstoffzufuhr, Rühr- oder Fliesgeschwindigkeiten und ähnliche.Around to obtain an optimal product yield, the reaction conditions monitored inside the reactor with the help of probes or sensors. For example, parameters such as pH, Oxygen content, temperature, optical density and concentration of specific substances, such. As glucose or lactate. The Data obtained from the sensor signals can be used for process control used to influence the reaction by influencing to control various control variables, eg. Temperature, Nutrient supply, oxygen supply, stirring or Flow speeds and the like.
Bisher werden dabei zur Prozesssteuerung lediglich chemische oder physikalische Parameter verwendet, die durch den Einsatz klassischer sterilisierbarer Messsonden zugänglich sind. Biochemische Parameter, welche genauere Aussagen über den Zu stand der Zellen oder Mikroorganismen in dem Reaktor ermöglichen, sind bisher nicht zugänglich. Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Reaktor bzw. ein Verfahren zur Reaktorsteuerung bereit zu stellen, welcher die Reaktionsführung in Abhängigkeit von zellulären Parametern ermöglicht, welche präzisere Informationen über den Zustand der Zellen oder Mikroorganismen innerhalb des Reaktors nutzen.So far In this process, only chemical or physical processes are used Used parameters by the use of classic sterilizable Measuring probes are accessible. Biochemical parameters, which more precise statements about the state of the cells or microorganisms allow in the reactor are not yet accessible. It is the object of the present invention to provide a reactor or to provide a method for reactor control, which the Reaction depending on cellular Parameters allows for more precise information about the state of the cells or microorganisms within the reactor use.
Erfindungsgemäß wird dies erreicht durch einen Reaktor gemäß Anspruch 1 und das Verfahren gemäß Anspruch 6.According to the invention this is achieved by a reactor according to claim 1 and the method according to claim 6.
Der erfindungsgemäße Reaktor für biologische Prozesse weist eine Messsonde auf, wobei die Messsonde ein Substrat aufweist, welches ein Adhäsionssubstrat für Zellen ist, wobei die Messsonde ausgelegt ist, operativ mindestens einen durch die Zellen veränderlichen Parameter zu erfassen.Of the inventive reactor for biological Processes comprises a measuring probe, wherein the measuring probe is a substrate which is an adhesion substrate for cells is, wherein the probe is designed, operatively at least one detectable by the cells variable parameters.
Ein Adhäsionssubstrat für Zellen bedeutet im Kontext der vorliegenden Erfindung jegliches Substrat, welches für die Adhäsion von Zellen geeignet ist, d. h. auf welchem Zellen adhärieren und anwachsen können.One Adhesion substrate for cells means in context the present invention, any substrate which is suitable for the adhesion of cells is suitable, d. H. on which Cells can adhere and grow.
Der Begriff Zellen umfasst sowohl Prokaryonten als auch Eukaryonten, sowie genetisch veränderte Organismen (GVO). Zellen, die als adhärente Zellen wachsen, wachsen üblicherweise auf einem geeigneten Substrat oder in einem Zellverbund (z. B. ein Gewebe), wobei sie auf dem Substrat und untereinander über Adhäsionsmoleküle adhärieren. Zellen können auf einer Vielzahl von Oberflächenmaterialien adhärieren, z. B. Kunststoff, Glas, Silizium, unter der Voraussetzung, dass sie über ihre Adhäsionsmoleküle an der Substratoberfläche anhaften können.Of the Term cells includes both prokaryotes and eukaryotes, and genetically modified organisms (GMOs). Cells that grow as adherent cells, usually grow on a suitable substrate or in a cell composite (eg Tissue), passing on the substrate and one above the other Adhere adhesion molecules. Cells can to adhere to a variety of surface materials, z. As plastic, glass, silicon, provided that on their adhesion molecules at the Substrate surface can adhere.
Erfindungsgemäß ist die Messsonde ausgelegt, operativ, d. h. während des Reaktorbetriebs, mindestens einen durch die Zellen veränderlichen Parameter zu erfassen. Im Kontext der vorliegenden Erfindung ist ein durch Zellen veränderlicher Parameter ein Parameter, welcher durch die auf dem Substrat wach senden Zellen bzw. unter dem Einfluss von ihrem Stoffwechsel im Zeitverlauf veränderbar ist.According to the invention the probe designed, operational, d. H. during reactor operation, at least to detect a variable parameter by the cells. In the context of the present invention, a cell is more variable Parameter a parameter, which send by the on the substrate awake Cells or under the influence of their metabolism over time is changeable.
Bevorzugt bildet das Substrat eine Messfläche eines Sensorelements der Messsonde. Die Messsonde ist gemäß einem Aspekt der Erfindung operativ, d. h. während des Betriebs des Reaktors, mit einer Reaktorsteuerung verbunden. Die Steuerung kann auch einen Bestandteil des Reaktors bilden. Auf diese Weise kann die Reaktorsteuerung in Reaktion auf von der Messsonde empfangenen Signale den Reaktor steuern.Prefers the substrate forms a measuring surface of a sensor element the measuring probe. The probe is in one aspect of the invention operatively, d. H. during operation of the Reactor, connected to a reactor control. The controller can also form part of the reactor. This way you can the reactor control in response to the probe received Signals control the reactor.
Der erfindungsgemäße Reaktor hat ein Volumen von mindestens 100 ml, mindestens 1 l, mindestens 10 l, oder mindestens 100 l. Der erfindungsgemäße Reaktor ist bevorzugt ein Batch-Reaktor, also ein Reaktor der im Batch-Verfahren betrieben wird. Der Reaktor kann ein Rührreaktor sein, ein Airliftreaktor, bei dem die Umwälzung des Reaktionsmediums durch einen aufsteigenden Luftstrom erreicht wird, ein Festbettreaktor und/oder ein Schlaufenreaktor sein.Of the inventive reactor has a volume of at least 100 ml, at least 1 l, at least 10 l, or at least 100 l. The reactor according to the invention is preferably one Batch reactor, ie a reactor operated in the batch process becomes. The reactor may be a stirred reactor, an airlift reactor, in which the circulation of the reaction medium by a ascending air flow is achieved, a fixed bed reactor and / or be a loop reactor.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der Parameter, welcher durch die Messsonde erfasst wird, aus der Gruppe gewählt, die aus Zellmembranpotential, pH-Wert, Sauerstoffumsatz und Zelladhäsion besteht. Der Sauerstoffumsatz kann durch Messen der Sauerstoffkonzentration oder auch der Kohlendioxidkonzentration gemessen werden. Ferner kann der gemessene Parameter auch die Konzentration eines Metaboliten, also eines Stoffwechseledukts oder -produkts der Zellen sein, z. B. Glukose, Laktat etc.According to another aspect of the invention, the parameter detected by the probe is selected from the group consisting of cell membrane potential, pH, oxygen turnover and cell adhesion. The oxygen conversion can be measured by measuring the oxygen concentration or the carbon dioxide concentration. Furthermore, the measured parameter can also be the concentration of a metabolite, ie a substance of the cells or product of the cells, e.g. As glucose, lactate, etc.
Bevorzugt
wird eine Mehrzahl von Parametern umfasst. Die Steuerung kann eine
Mehrzahl von Parametern bevorzugt einer multivariaten Analyse unterziehen,
z. B. einer alternierenden Regression oder einem Verfahren der alternierenden
kleinsten Fehlerquadrate oder ähnliche, wie z. B. beschrieben in
der Veröffentlichung
Die Steuerung kann bevorzugt über eine oder mehrere Steuergrößen, z. B. Temperatur, Nährstoffversorgung, Gasversorgung, den biologischen Prozess im Reaktor beeinflussen, um die gewünschten Wachstumsbedingungen zu erreichen. Dazu kann die Steuerung bevorzugt eine oder mehrere Einrichtungen steuern, z. B. Heizelemente, Kühlelemente, Rührwerke, Begasungseinrichtungen, Dosierpumpen und ähnliche.The Control may preferably be via one or more control variables, z. B. temperature, nutrient supply, gas supply, the affect biological process in the reactor to the desired To achieve growth conditions. For this purpose, the controller is preferred control one or more facilities, e.g. B. heating elements, cooling elements, Agitators, gassing devices, dosing pumps and the like.
Bei der biologischen Prozessführung ist es wichtig, dass sämtliche Prozesse unter sterilen Bedingungen laufen. Die Reaktoren müssen daher vor der Beschickung sterilisiert werden. Bei dem erfindungsgemäßen Reaktor kann die Messsonde als integraler Bestandteil des Reaktors oder auch als entfernbare und in den Reaktor wieder einbringbare Messsonde vorgesehen sein, so dass in letzterem Fall die Messsonde separat sterilisiert werden kann oder auch eine einmal verwendbare Messsonde zum Einsatz kommen kann.at In biological process management, it is important that all Processes run under sterile conditions. The reactors must therefore be sterilized before loading. In the inventive Reactor can be the measuring probe as an integral part of the reactor or as removable and re-injectable into the reactor probe be provided, so that in the latter case, the probe separately can be sterilized or even a disposable probe can be used.
Bevorzugt weist die Messsonde eine Mehrzahl von Sensorelementen auf. Die Messsonde kann beispielsweise ein pH-Wert-Sensorelement aufweisen, ein geeignetes pH-Sensorelement ist ein ionensensitiver Feldeffekt-Transistor (ISFET). Ferner kann auf der Messsonde zur Messung der Sauerstoffkonzentration z. B. eine Clark-Elektrode vorgesehen sein; Clark-Elektroden messen den Reduktionsstrom, der entsteht, wenn molekularer Sauerstoff auf der Clark-Elektrode durch den Elektronenfluss zusammen mit H2O zu OH–-Ionen reduziert wird. Ferner kann auf der Messsonde eine Temperaturdiode als Temperatur-Sensorelement vorgesehen sein. Ferner kann auf der Messsonde ein Sensorelement zum Messen der Zelladhäsion vorgesehen sein, dies kann beispielsweise ein Sensorelement zur Impedanzmessung mit einer Interdigitalelektrodenstruktur (IDES-Sensor) sein. Ein für den erfindungsgemäßen Reaktor als Messsonde geeigneter Chip ist z. B. unter der Bezeichnung Bionas® Metabolic Chip SC1000 von der Firma Bionas, Rostock, Deutschland erhältlich.The measuring probe preferably has a plurality of sensor elements. The measuring probe may, for example, comprise a pH-value sensor element, a suitable pH-sensor element being an ion-sensitive field-effect transistor (ISFET). Furthermore, on the probe for measuring the oxygen concentration z. B. a Clark electrode may be provided; Clark electrodes measure the reduction current that results when molecular oxygen on the Clark electrode is reduced by the flow of electrons together with H 2 O to OH - ions. Furthermore, a temperature diode can be provided as a temperature sensor element on the measuring probe. Furthermore, a sensor element for measuring the cell adhesion may be provided on the measuring probe, this may for example be a sensor element for impedance measurement with an interdigital electrode structure (IDES sensor). A suitable for the reactor according to the invention as a probe chip is z. B. under the name Bionas ® Metabolic Chip SC1000 from Bionas, Rostock, Germany available.
Weitere Sensorelemente können auf der Messsonde vorgesehen sein, z. B. Sensorelemente zur Konzentrationsbestimmung spezifischer Substanzen, insbesondere von Nährstoffen oder Metaboliten, z. B. Glukose- oder Laktatsensoren.Further Sensor elements may be provided on the measuring probe, z. B. sensor elements for determining the concentration of specific substances, in particular of nutrients or metabolites, e.g. Eg glucose or lactate sensors.
Derartige
Messsonden können die Stoffwechselaktivität der
Zelen, welche auf der Messsonde anhaften, durch Messung von lokalen
Parametern (pH-Wert, Sauerstoffgehalt, Adhäsion, Membranpotential
etc.) erfasst werden. Die Messsonde ist vor Inbetriebnahme des Reaktors
sterilisierbar. Erst durch das Aufwachsen der in dem Reaktor befindlichen
Zellen wird sie dann zu einem biochemischen Sensor, der wertvolle
Aussagen über die biochemischen Prozesse bzw. den Zustand
der Zellen in dem Reaktor geben kann. Dadurch können falsch
laufende Prozesse, z. B. aufgrund von Kontamination mit Fremdkeimen
rechtzeitig erkannt und gestoppt werden, was eine erhebliche Zeit-
und Geldersparnis bringt. Ferner können Prozesse optimiert
werden, was zu einer erhöhten Produktausbeute oder verkürzten
Prozesslaufzeit führen kann. Im Folgenden wird die Erfindung anhand
eines Beispiels und der beigefügten
Der
schematisch dargestellte, beispielhafte Reaktor
Es wird darauf hingewiesen, dass das beschriebene Beispiel lediglich zur Veranschaulichung dient und innerhalb des Umfangs der Erfindung viele Modifikationen und Änderungen bzw. andere Ausführungsformen denkbar sind.It It should be noted that the example described only for illustrative purposes and within the scope of the invention many modifications and changes or other embodiments are conceivable.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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