DE102015226022A1

DE102015226022A1 - Funktionsintegrativer Bioreaktor

Info

Publication number: DE102015226022A1
Application number: DE102015226022.4A
Authority: DE
Inventors: Maik Gude; Julia Kaufhold; Karsten Tittmann; Thomas Bley; Jost Weber; Felix Lenk; Robert Stange
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2014-12-19
Filing date: 2015-12-18
Publication date: 2016-06-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bioreaktors mit integrierten aktorischen Funktionen sowie einen Bioreaktor mit integrierten aktorischen Funktionen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines funktionsintegrativen Bioreaktors sowie einen funktionsintegrativen Bioreaktor.
Bioreaktoren sind wichtige Hilfsprodukte in bioverfahrenstechnischen Prozessen unterschiedlicher Branchen, wie Feinchemie, Kraftstoffgewinnung, Pharmazie und Kosmetik, Agrarwirtschaft, Lebensmittelindustrie und Tissue Engineering. Zur Entwicklung derartiger Prozesse sind möglichst kurze Entwicklungszeiten und -kosten erstrebenswert. Derzeitige Bioreaktorsysteme, überwiegend in Glas oder Edelstahl ausgeführt, zeichnen sich jedoch durch hohe Rüstzeiten verbunden mit erheblichem Dokumentationsaufwand aus, da benötigte Funktionen, wie Temperierung, Begasung, Beleuchtung, Rührung, über aufwendige An- und Einbauten realisiert werden müssen. Zudem stellt das Up-Scaling von im Kleinstmaßstab untersuchten Prozessen aufgrund der nur eingeschränkt skalierbaren Funktionen ein grundlegendes Problem der Verfahrenstechnik dar. Außerdem wird generell zwischen Einweg- und Mehrwegsystemen unterschieden, deren konstruktive Ansätze sich stark unterscheiden und somit den Transfer z. B. von einer Einweg- in eine Mehrwegkultivierungsumgebung aufwändig gestalten.
In sogenannte Rührkesselreaktoren (stirred tank reactor, STR), denen 95 % der heute verwendeten Bioreaktoren zugeordnet werden (Chmiel, 2011: Bioprozesstechnik. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg), finden sich unterschiedliche Realisierungsmöglichkeiten für die verschiedenen Funktionen.
Hinsichtlich der Rührfunktion liegen unterschiedliche Ausführungen vor, z. B. Mischer mit rotierender Welle, Vibrationsmischer sowie hydraulische, pneumatische oder statische Mischer (Chmiel, 2011: Bioprozesstechnik. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg; Steingroewer, J. / Bley,. Th. et al.: Bioprocessing of differentiated plant in vitro system. In: Eng. Life Sci. 2013, 13, No. 1, 26–38; Schügerl, K.: Neue Bioreaktoren für aerobe Prozesse. In: Chem.-Ing.-Tech 52(1980) Nr. 12, S. 951–965; Doran PM: Design of mixing systems for plant cell suspensions in stirred reactors. In: Biotechnol Prog. 1999 May 15(3), S. 319–335).
In den letzten Jahren wurden die klassischen Ausführungen durch zahlreiche Weiterentwicklungen ergänzt, die die Produktivität der biotechnischen Prozesse durch Verwendung neuer Mischprinzipien oder durch Kopplung vorhandener Konzepte erhöhen. So weisen etwa die von 2mag AG (2mag AG, München) produzierten Mehrstellenrührer mit bis zu 15 Rührstellen durch Parallelisierung eine deutliche Effizienzsteigerung gegenüber Einstellensystemen auf. Ähnliche Parallelisierungsstrukturen jedoch mit noch deutlich vielfältigerer Funktionalität zeigen die Produkte von DASGIP (DASGIP Information and Process Technology GmbH, Jülich). Wesentliche Effizienzsteigerungen konnten ebenfalls mit dem von Wang und Zhong entwickelten Reaktorsystem mit Zentrifugalgebläse (centrifugal impeller bioreactor) erreicht werden (Wang SJ / Zhong JJ: A novel centrifugal impeller bioreactor. I. Fluid circulation, mixing, and liquid velocity profiles. In: Biotechnol Bioeng 1996 Sep 5, 51(5), S. 511–519). Systeme ohne direkte mechanische Berührung, sogenannte Wave Reactors, wurden erstmals von Eibl und Eibl präsentiert (Eibl R., Eibl D.: Bioreactors for plant cell and tissue cultures. In: Oksman-Caldentey K-M, Barz W (Hrsg.): Plant biotechnology and transgenic plants. New York. 2002, S. 165–199). Die DE102006018824A1 offenbart eine indirekte Rührung, jedoch für ein Einweg-Reaktorsystem vorgestellt.
Ergänzend kann die Begasung, welche für den Abtransport von Reaktionswärme und flüchtigen Stoffen ebenso von Bedeutung ist, wie für die Sauerstoffversorgung bei aeroben Prozessen, in die Rührung integriert werden (Georgiew, M. I. / Weber, J. / Maciuk, A.: Bioprocessing of plant cell cultures for mass production of targeted compounds. In: Appl Microbiol Biotechnol (2009) 83, S. 809–823). Neben den klassischen pneumatischen Fermentern werden dazu auch neue Konzepte wie die Integration von Begasungselementen in mechanische Rührelemente erforscht ( EP1473358A2 ). Unter den Mischkonzepten sind insbesondere die des pneumatischen und des hydraulischen Fermenters geeignet, um parallel einen Beleuchtungseintrag zur Untersuchung phototropher Reaktionen durchzuführen. Derartige Reaktionen sind insbesondere bei der Untersuchung regenerativer Produkte von Interesse und in den letzten Jahren wurden verschiedene Untersuchungen zur Steigerung der Ausbeute unter Lichteintrag durchgeführt (Franco-Lara, E. / Havel, J. / Peterat, F./ Weuster-Botz, D.: Model-supported optimization of phototrophic growth in a stirred-tank photo-bioreactor. In: Biotechnol Bioeng 95 (2006), S. 1177–1187). Zur Einbringung von Licht unterschiedlicher Wellenlängen wurden diverse Systeme entwickelt, von denen sich jedoch keines klar auf dem Markt etablieren konnte. Ein in Silikon eingebettetes LED-System offenbart die EP2150609B1 . Ein weiteres Beleuchtungskonzept geht auf Obermann et al. zurück ( DE102005012515B4 ). Beide Konzepte sehen jedoch keine Kombination mit anderen Funktionen vor. Ein solarbetriebenes Konzept wurde von Zhenhong et al. entwickelt ( US20120288921A1 ). Die Fixierung von Hohlzylindern, die bedarfsabhängig mit Lichtelementen bestückt werden, wird im Patent von Flynn et al. präsentiert ( WO2010115655A1 ). Ähnlich, wenn auch weniger flexibel, dafür aber einfacher in der Handhabung, ist der Einsatz von Fermentersystemen mit Tauchlampen.
Temperiersysteme werden derzeit als einzelne Module an bestehende Systeme angebaut, z.B. in Form von Heizplatten, oder durch mehrwandige Reaktormäntel, gefüllt mit Heiz- bzw. Kühlfluiden, realisiert ( EP1728852A1 , DE10350972A1 ). Einteilige Systeme, die alle standardmäßig benötigten Komponenten enthalten, sind nicht bekannt. Zwar existieren Ansätze für Fermenter mit integrierten Funktionen, jedoch sehen diese stets eine mehrteilige Gehäusestruktur vor ( CN103451098A , CN101955294A ).
Die meisten Reaktorsysteme sind durch Hitze (z.B. Wasserdampf) sterilisierbar. Jedoch geht der Trend der letzten Jahre über zur Verwendung von Single-Use-Reaktoren, wie sie beispielsweise von Sartorius angeboten werden (Sartorius AG, Göttingen). Die taschenförmigen Gefäße, die mit der Kultur in Berührung kommen, werden in Stahlgehäuse eingeführt bzw. auf orbital bewegten Trägern fixiert. Erste Ausführungen mit selbsttragender Kunststoffaußenform, jedoch ohne integrierte Funktionen sind ebenfalls bei Sartorius in Anwendung (UniVessel) (Sartorius, Göttingen). Diese Fermenter sind in der Regel als klassische Rührreaktoren oder als schwenkbare Reaktoren ausgeführt und bieten den Vorteil geringer Investitionskosten und hoher Zeitersparnis durch die entfallende Reinigungsvalidierung und einem geringeren Aufwand für die Dokumentation. Kritisch sind der große manuelle Aufwand beim Aufrüsten der Reaktoren sowie der mangelhafte Wärmeübergang von Halterung zu Kulturmedium zu sehen.
Bekannt sind auch Bioreaktorsysteme aus Kunststoff, welche beispielsweise zur einmaligen Verwendung ausgebildet sind ( WO 2008/101124 A1 , US 2009/0242173 A1 ).
Während die klassischen Re-Use-Fermenter zumeist aus Glas oder Edelstahl ausgeführt sind (Eppendorf Inc. Enfield, USA; Applikon Biotechnology, Foster City, USA), sind moderne Einwegreaktoren zum Teil aus Kunststoffen wie Polycarbonat gefertigt (Sartorius AG, Göttingen). Die derzeitigen Entwicklungen werden durch wesentliche Fortschritte beim Onlinemonitoring ergänzt, wie an den Produkten von m2p Labs zu sehen ist (m2p-labs GmbH, Baesweiler). Eine volle Funktionsintegration in der Reaktorwandung eines Kunststoffermenters mit einer an Produktionsbedingungen angepassten Geometrie liegt derzeit am Markt nicht vor.
Es wäre daher in hohem Maße wünschenswert, einen einfach, mit geringem Kostenaufwand herstellbaren Bioreaktor anzugeben, welcher durch integrierte Funktionalitäten eine flexible Einsatzmöglichkeit bietet.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren zur Herstellung eines funktionsintegrativen Bioreaktors anzugeben, welcher die Nachteile im Stand der Technik überwindet. Ebenfalls Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines funktionsintegrativen Bioreaktors.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und durch einen funktionsintegrativen Bioreaktor gemäß Anspruch 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung eines funktionsintegrativen Bioreaktors vorgeschlagen, wobei der Bioreaktor aus einem Kunststoff hergestellt wird und wobei bei der Herstellung des Bioreaktors zumindest eine aktorische oder sensorische Funktion in die Wandung des Bioreaktors eingebracht wird, wobei die zumindest eine aktorische Funktion ausgewählt ist aus Temperierung, Begasung und Durchmischung.
Das Verfahren zur Herstellung eines funktionsintegrativen Bioreaktors aus Kunststoff umfasst dabei die Schritte:

– Herstellen zumindest eines Funktionsträgers,
– Anordnen der zumindest einen aktorischen oder sensorischen Funktion an dem zumindest einen Funktionsträger,
– Einbringen des Funktionsträgers mit angeordneter aktorischer Funktion in ein Formwerkzeug,
– Herstellen des funktionsintegrativen Bioreaktors im Formwerkzeug durch Vakuumgießen.

Unter aktorischen Funktionen im Sinn der vorliegenden Erfindung werden Funktionen wie Temperierung, Begasung, Durchmischung, Beleuchtung, etc. verstanden.
Unter einer sensorischen Funktion werden optischen Sensorsystemen, pH-Sensorsystemen, Sauerstoff- und/oder CO₂-Sensorsystemen, Sensorsysteme zur Bestimmung von Salz-, Zucker-, Edukt- und Produktkonzentrationen im Medium, Trübung, optische Dichte, Zellzahl, Zelldichte, elektrische Leitfähigkeit, Biomassekonzentration, Fluoreszenz oder Redoxpotential verstanden.
In einer Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Herstellung des Funktionsträger als Halbzeug durch ein generatives Verfahren ausgewählt aus Fused Deposition Modeling (FDM), Laminated Object Modelling (LOM), Multi Jet Modeling (MJM), Polyamidguss, selektives Lasersintern (SLS), Space Puzzle Molding (SPM), Vakuumgießen oder Stereolithografie (STL oder SLA). Bevorzugt erfolgt die Herstellung mittels Fused Deposition Modeling (FDM). Durch die Herstellung eines Funktionsträgers kann nachfolgend eine genaue Positionierung der aktorischen Funktionen vor dem Vakuumgießen erfolgen. Dadurch wird eine reproduzierbare Positionierung der aktorischen Funktion bei wiederholter Herstellung des Bioreaktors gewährleistet. Des Weiteren ist die Nutzung eines generativen Verfahrens zur Herstellung des Funktionsträgers vorteilhaft, um komplexe dreidimensionale Geometrien zu ermöglichen. So können beispielsweise komplexe Kanalsystem über den Funktionsträger realisiert werden, welche nachfolgend durch das Vakuumgießen in den Bioreaktor eingebracht werden können.
In einer Ausführungsform wird der zumindest eine Funktionsträger aus einem Kunststoff ausgewählt aus Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polycarbonat (PC), Polyetherimid (PEI), Polyethersulfon (PES), Polylactide (PLA), Polyphenylsulfon (PPSU), Polysulfon (PSU), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyetheretherketon (PEEK), Polyethylen (PE), Epoxidharz, Polyurethan (PUR), Ethylen/Vinylacetat (EVA) oder Ethylen-Vinylalkohol (EVOH) hergestellt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Anordnung der aktorischen oder sensorischen Funktion am Funktionsträger durch ein Anbindungselement. Das Anbindungselement ist dabei als klassisches Fügeelement der Kunststofftechnik ausgebildet. Es kann beispielsweise als federnder Haken, ringartige Schnappverbindung, Klips oder Kugelgelenkverbindungen ausgebildet sein. Diese Systeme erlauben eine einfache, schnelle Bestückung, bei der auf zusätzliche Hilfsmittel wie Klebstoffe verzichtet werden kann.
Bevorzugt wird zumindest eine Vorrichtung zur Temperierung und zumindest eine Vorrichtung zur Durchmischung in die Wandung des Bioreaktors eingebracht. Dadurch sind eine entsprechende Temperierung des Bioreaktors sowie eine Durchmischung des Mediums im Bioreaktor gewährleistet. Die Vorrichtung zur Temperierung kann dabei zur Heizung und/oder Kühlung ausgebildet sein.
In einer Ausführungsform der Erfindung werden für das Rapid Manufacturing-Verfahren bekannte Verfahren aus dem Bereich des Rapid-Prototyping verwendet. Die Verfahren sind dabei ausgewählt aus Fused Deposition Modeling (FDM), Laminated Object Modelling (LOM), Multi Jet Modeling (MJM), Polyamidguss, selektives Lasersintern (SLS), Space Puzzle Molding (SPM), Vakuumgießen oder Stereolithografie (STL oder SLA).
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Kunststoff zur Herstellung des Bioreaktors ausgewählt aus Polycarbonat (PC), Polyetherimid (PEI), Polyethersulfon (PES), Polyphenylsulfon (PPSU), Polysulfon (PSU), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyetheretherketon (PEEK), Polyethylen (PE), Epoxidharz, Polyurethan (PUR), Ethylen/Vinylacetat – EVA, Ethylen-Vinylalkohol – EVOH. Für die Herstellung des Bioreaktors eignen sich grundsätzlich alle gängigen Kunststoffe, wobei EVA und EVOH bevorzugt nur für die Herstellung von Einweg-Bioreaktoren verwendet werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Temperierung in die Wandung des Bioreaktors eingebracht, welche fluidfrei ausgebildet ist. Durch eine fluidfreie Temperierung kann auf die Zuführung von Flüssigkeiten und die damit einhergehenden Anschlüsse verzichtet werden. Dies ermöglicht einen Einsatz des Bioreaktors ohne entsprechend notwendige Anschlüsse oder die Zuführung beispielsweise von Kühlwasser. Die Vorrichtung zur Temperierung kann dabei als Heizung und/oder Kühlung ausgebildet sein.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Vorrichtung zur Temperierung als Heizung ausgebildet. Dabei kann die Vorrichtung zur Temperierung als Metallgitter/-draht, CF-Netz/-Roving (Kohlefasernetz"), Heizelement, Peltier-Element, gedruckte Folien (Printed Electronics), flexible Leiterplatte, die ggf. mit applizierten Heizelementen versehen ist, ausgebildet sein. Der Heizeffekt bzw. der Temperaturunterschied beider Oberflächen bei dem Peltier-Element wird durch elektrische Energie erzeugt. Mit Ausnahme des Peltier-Elements wird durch den Stromdurchfluss eines Widerstands, welcher in Form metallischer Drähte, Leiter sowie eingebetteter Kohlenstofffasern umgesetzt wird, thermische Energie freigesetzt. Die Wärmedifferenz bei dem Peltier-Element wird durch den gleichnamigen Peltier-Effekt erzeugt, der bei zwei in Kontakt stehenden Halbleitern auftritt, wenn diese stromdurchflossen sind.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Vorrichtung zur Temperierung als Kühlung ausgebildet. Dabei kann die Vorrichtung zur Temperierung als Kühlkanal, Peltier-Element ausgebildet sein.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Vorrichtung zur Temperierung aus thermisch leitfähigen Polymeren ausgebildet. Die thermisch leitfähigen Polymere werden beispielsweise in Mäanderform am Funktionsträger angeordnet oder bilden den Funktionsträger aus. Nachfolgend erfolgt die Integration in den Bioreaktor durch Vakuumgießen.
Die Temperierung kann durch die Integration dieser leitfähigen Strukturen sehr nah am Prozessraum erfolgen und durch eine Anpassung der Querschnitte oder der Mäanderdichte an individuelle Anforderungen, wie beispielsweise Temperaturgradienten über der Wandung, angepasst werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Leitern, wie Kupferrohren oder Heatpipes, stellen die thermisch leitfähigen Polymere keine Störstelle in der Wandung des erfindungsgemäßen Bioreaktors dar, da sie sich mit dem umgebenden Kunststoffmaterial verbinden. Korrosive Effekte werden hiermit vollständig ausgeschlossen und es verbleiben keine Freiräume zwischen den Temperierstrukturen und der Wandung des erfindungsgemäßen Bioreaktors. Weiter wird durch die Fertigungsmethodik erstmalig eine variable Skalierbarkeit der Temperierstrukturen mit der Behältergröße des erfindungsgemäßen Bioreaktors möglich. Erst hierdurch ist eine prozessraumnahe Anordnung der Temperierstrukturen möglich, die ansonsten zu einer mechanischen Schwächung der Reaktorwandung führen würde.
In einer Ausführungsform der Erfindung werden die thermisch leitfähigen Polymere über auf der Außenwandung des erfindungsgemäßen Bioreaktors angeordnete Kontaktierungsmittel mit austauschbaren Peltier-Elementen oder themoelektrischen Generatoren verbunden, die die eigentliche Heiz-, bzw. Kühlleistung übernehmen. Durch die relativ geringe thermische Leitfähigkeit des umgebenden Strukturpolymers der Wandung wird eine zusätzlich nützliche Isolationswirkung von Prozessraum und Temperierung erreicht, die die erforderlichen elektrischen Heiz- und Kühlleistungen reduziert.
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung wird eine Beheizung des Prozessraums über elektrisch leitfähige Polymere realisiert. Die elektrisch leitfähigen Polymere können analog den oben beschriebenen thermisch leitfähigen Polymeren in die Wandung des erfindungsgemäßen Bioreaktors integriert werden und dann als Widerstandsheizung fungieren. Die elektrisch leitfähigen Polymere können dabei auch in Mäanderform ausgebildet sein.
Durch die erfindungsgemäße Integration der Temperierung ergeben sich viele Vorteile gegenüber den im Stand der Technik verwendeten Systemen. Dabei kann beispielsweise auf den Einsatz von Temperiermedien verzichtet werden, wie dies beispielsweise bei doppelwandig ausgebildeten Bioreaktoren erfolgt. Zudem sind dadurch keine Medienanschlüsse notwendig, wodurch die Temperierung wartungsfrei und ohne Leckagen gestaltet werden kann. Weiterhin ergeben sich kürzere Rüstzeiten, eine prozessraumnahe Positionierung der Temperierung, stabile Regelungskreisläufe mit kurzen Übertragungsstrecken und signifikante Energieersparnis. Durch die geringe Wärmeleitfähigkeit der Strukturkunststoffe des Bioreaktors erfolgt zudem eine Isolation des Prozessraums und der Temperierung, sodass eine verbesserte Energieeffizienz gewährleistet wird.
Durch die erfindungsgemäße Integralbauweise ergibt sich weiterhin eine Platzersparnis, eine Erhöhung der Zuverlässigkeit durch verminderte Empfindlichkeit gegen äußere Einflüsse und eine erhöhte Betriebssicherheit durch die direkte Verknüpfung der Regelglieder Sensor und Aktor. Zudem sind weniger Zusatzgeräte notwendig, was zu einer Reduktion der Rüst- und Wartungszeiten (Plug & Play) führt. Durch die Nutzung generativer Fertigungsverfahren (3D-Druck) ergibt sich eine variable Skalierbarkeit und eine hohe Individualisierbarkeit des Bioreaktors gemäß den Anforderungsprofilen der Anwender.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Durchmischung in die Wandung des Bioreaktors eingebracht. Dadurch kann auf den Einsatz von Rührern im Medium verzichtet werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Vorrichtung zur Durchmischung ausgewählt aus Rührer, einem Piezoaktor und Compliant-Mechanismus, Magnetstabrührer mit integrierten Spulen oder magnetisch gekoppelter Rührer mit Spulen in Reaktorwand ggf. mit Führung, basierend auf dem piezoelektrischen Effekt können durch das Anlegen einer Spannung an Piezoaktoren elastische Verformungen erzielt werden. In Verbindung mit nachgiebigen Strukturen – Compliant-Mechanismen – können diese bspw. durch die Nachbildung einer Fischschwanzflosse zur Mischung des Reaktionsmediums genutzt werden. In Anlehnung an die Form klassischer Rührer von STRs ist außerdem ein Scheiben- bzw. Propellerrührer realisierbar, der ein magnetisches Material an den Propellerenden besitzt und über in der Wandung integrierten Spulen angetrieben und ggf. auch geführt wird.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Vorrichtung zur Begasung ausgebildet als in die Wandung integrierter Kanal, bodennahes Insert als Sparger oder in einem Rührer integriert ist. Bei der Ausbildung als in die Wandung integrierter Kanal kann es vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Kanalöffnung mittels Ventilen verschlossen ist, welche nur bei Gasabgabe geöffnet werden. Dadurch kann ein Eindringen des Medium des Bioreaktors in das Kanalsystem vermieden werden, was insbesondere bei Mehrfachnutzung des Bioreaktors vorteilhaft für die Sterilisation ist.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Begasung in die Wandung des Bioreaktors eingebracht.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Vorrichtung zur Begasung als flächige Begasungsstruktur ausgebildet. Vorteilhaft wird die flächige Begasungsstruktur mittels eines generativen Fertigungsverfahrens hergestellt und vor dem Vakuumgießen am Funktionsträger angeordnet. Dadurch wird eine reproduzierbare Positionierung der Begasungsstruktur gewährleistet.
Die flächige Begasungsstruktur kann dabei eine im Wesentlichen planare Ausbildung aufwiesen. Es ist auch denkbar, dass die flächige Begasungsstruktur der Form des Bioreaktors folgend eine dreidimensionale Ausbildung aufweist.
In einer Ausgestaltung der Ausführungsform ist die flächige Begasungsstruktur in den Wandungen oder den Boden des erfindungsgemäßen Bioreaktors integriert. Durch die in den Wandungen oder Boden eingebrachten flächigen Begasungsstrukturen ist erstmals eine komplett flächige Begasung und damit eine Verteilung des Scherstresses auf einen weiten Bereich bei Biokatalysatoren möglich.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind in den flächigen Begasungsstrukturen generativ gefertigte Rückschlagventile vorgesehen, welches ein Eindringen von Fermentationsbrühe in die Begasungsstrukturen vermeidet. Beispielsweise können Öffnungen zur Begasung in den erfindungsgemäßen Bioreaktor im flächigen Begasungssystem vorgesehen sein, welche durch ein generativ gefertigtes Rückschlagventil gegen Eindringen von Medium oder anderen Flüssigkeiten aus dem Prozessraum des Bioreaktors vermeiden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die generativ gefertigten Rückschlagventile starr oder flexibel ausgebildet. In einer starren Ausführungsform werden beispielsweise kugel- oder kegelförmige Dichtungskörper, die entweder frei oder durch federnde Elemente im Ventil gelagert sind, oder Dichtungsklappen eingesetzt. Durch die gezielte Nutzung von Ausgangsmaterialien mit verschiedenen Elastizitätsmoduln können weiterhin flexible Ausführungsformen ausgebildet werden, bei denen über die angepasste Nachgiebigkeit des Dichtelements die Funktion gewährleistet ist. Weiterhin sind Kombinationen aus flexiblen und starren Materialien angedacht.
Durch die Nutzung generativer Fertigungsverfahren können individuell Rückschlagventile hergestellt werden, die den jeweiligen Bedürfnissen und Anforderungen des Anwenders an die Begasungsstrukturen gerecht werden. Zudem ist vorteilhaft eine freie Skalierbarkeit der Rückschlagventile möglich.
Durch die Verwendung der Rückschlagventile ist es zudem möglich, auf eine dauerhafte Begasung zu verzichten. Es kann auch ein gepulster Gaseintrag erfolgen.
Bevorzugt weisen die Rückschlagventile eine Dichtheit bis zumindest zu einem Überdruck von 0,5 bar (insgesamt 1,5 bar) auf. Der Öffnungsdruck in Durchlassrichtung ist vorzugsweise größer 50 mbar für eine Begasung mit 0,2 L / min. Das Begasungssystem ist bevorzugt für folgende Gase verwendbar: Luft, CO₂, O₂, N₂.
Die erfindungsgemäßen Rückschlagventile sind aufgrund Ihrer generativen Fertigung und der freien Skalierbarkeit auch in alternativen Verfahren und Anwendungen vorteilhaft einsetzbar. So können diese beispielsweise im Rahmen mikrofluidischer Prozesse oder -steuerungsvorrichtungen in gas- oder flüssigkeitsbasierten mikrofluidischen Systemen eingesetzt werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Durchmischung des Mediums im Bioreaktor ausschließlich über die Begasung. Dabei erfolgt die Durchmischung aufgrund von Turbulenzen, die durch dem Medium zugeführten Gasblasen erzeugt werden. In einer Ausgestaltung ist eine pulsierende Zuführung von Gasblasen vorgesehen, welche eine Anhaftung von Mikroorganismen an der Wandung minimiert und gleichzeitig eine verbesserte Durchmischung des Mediums gewährleistet.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Vorrichtung zur Beleuchtung ausgewählt aus LED, OLED, LED/OLED-Folien oder LED/OLED auf einer flexiblen Halbleiterplatte. Die Nutzung von LED oder OLED-Bauelementen zur Beleuchtung ist dabei besonders vorteilhaft, da diese sich zum einen durch einen geringen Energiebedarf und zudem insbesondere bei der Verwendung von OLED-Bauelementen, durch ihre flexible Ausgestaltung auszeichnen. Dadurch können diese Bauelemente vorteilhaft in die zumeist zylindrische Wandung des Bioreaktors eingebracht werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist ein Port im Deckel des Bioreaktors eingebracht, über den die Substratzugabe und/oder Probenentnahme erfolgt. In einer alternativen Ausgestaltung wird ein Port in die Wandung des Bioreaktors eingebracht. In einer alternativen Ausgestaltung erfolgt die Substratzugabe und/oder Probenentnahme über ein Kanalsystem in der Wandung. Dabei kann es vorgesehen sein, dass das Kanalsystem mittels Ventilen verschlossen ist, welche nur bei Probenentnahme bzw. Substratzugabe geöffnet werden. Dadurch kann ein Eindringen des Medium des Bioreaktors in das Kanalsystem vermieden werden, was insbesondere bei Mehrfachnutzung des Bioreaktors vorteilhaft für die Sterilisation ist.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst die Herstellung des Bioreaktors die zumindest teilweise transparente Ausbildung der Wandung des Bioreaktors. Die zumindest teilweise Transparenz der Wandung des Bioreaktors erlaubt dabei die optische Überprüfung des Mediums während des Einsatzes des Bioreaktors. Es kann dabei vorgesehen sein, dass die Wandung ein Sichtfenster aufweist. Bevorzugt wird die Wandung des Bioreaktors transparent ausgebildet.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird zumindest ein Sensorsystem in die Wandung des Bioreaktors eingebracht. Das Sensorsystem ist dabei ausgewählt aus optischen Sensorsystemen, pH-Sensorsystemen, Sauerstoff- und/oder CO₂-Sensorsystemen, Sensorsysteme zur Bestimmung von Salz-, Zucker-, oder Edukt- und Produktkonzentrationen im Medium, Trübung, optische Dichte, Zellzahl, Zelldichte, elektrische Leitfähigkeit, Biomassekonzentration, Fluoreszenz oder Redoxpotential. Das Sensorsystem kann dabei vor dem Vakuumgießen an den Funktionsträger angeordnet werden. Dadurch können Sensorsystem in die Wandung oder den Boden des erfindungsgemäßen Bioreaktors integriert werden.
Optische Sensorsysteme können dabei beispielsweise zur Bestimmung der optischen Dichte während des Einsatzes des Bioreaktors dienen.
Daneben kann der Bioreaktor weitere Sensorsysteme aufweisen, welche beispielsweise im Deckel des Bioreaktors angeordnet sind oder freibewegliche kabellose Sensoren dem Medium zugesetzt werden. Auch Sensoren mit optischer Datenübertragung, wie etwa OptiSens pH oder OptisSens DO (Sartorius, Göttingen), sind geeignet.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die aktorischen und sensorischen Funktionen, welche in die Wandung oder den Boden des Bioreaktors integriert sind, zumindest zweistückig ausgebildet. Dabei ist zumindest ein Teilstück der aktorischen oder sensorischen Funktion in die Wandung oder den Boden des Bioreaktors integriert und das zweite Teilstück über eine lösbare Verbindung mit dem ersten Teilstück verbunden, sodass bei Bedarf, dass zweite Teilstück vom ersten Teilstück gelöst und entfernt werden kann. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn der erfindungsmäße Bioreaktor gereinigt oder autoklaviert werden muss, wobei das erste Teilstück dabei beispielsweise als Sensorkopf ausgebildet ist und das zweite Teilstück beispielsweise elektronische Komponenten des Sensorsystems umfasst. Die lösbare Verbindung kann dabei beispielsweise als Steckverbindung ausgebildet sein, welche elektrisch leitfähig ausgebildet ist. Dadurch können elektronische Komponenten vor der Reinigung oder dem Autoklavieren entfernt werden, sodass eine aufwändige Entfernung oder ein Umrüsten unterbleibt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Steuerung der aktorischen oder sensorischen Funktion über eine Steuereinheit. Es kann auch vorgesehen sein, dass je nach Anwendungsfall nur bestimmte aktorische oder sensorische Funktionen mit der Steuereinheit verbunden sind. Dabei können verschiedene aktorische oder sensorische Funktionen in der Wandung oder dem Boden des Bioreaktors integriert sein, wobei diese nach Bedarf mit der Steuereinheit verbunden sind. Hierzu kann beispielsweise vorteilhafterweise die zweistückige Ausbildung der aktorischen oder sensorischen Funktionen genutzt werden
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden mehrere Funktionsträger vor dem Vakuumgießen in dem Formwerkzeug derart angeordnet, dass die Funktionsträger nach dem Vakuumgießen in die Wandung oder den Boden des erfindungsgemäßen Bioreaktors integriert sind. Die Nutzung mehrerer Funktionsträger bietet sich für solche Fälle an, wo komplexe Geometrien der Funktionsträger realisiert werden müssen, die bei einstückig ausgebildeten Funktionsträgern nur mit erhöhtem Aufwand realisierbar sind. Denkbar ist auch eine modulare Gestaltung der Funktionsträger, wobei einzelne Module unterschiedliche aktorische oder sensorische Funktionen aufweisen und demnach anwenderspezifisch individuell zusammengestellt werden können.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zur Stabilisierung des erfindungsgemäßen Bioreaktors ein Verstärkungsmittel in der Wandung oder dem Boden integriert. Beispielsweise wird ein Drahtgeflecht als Verstärkungsmittel vor dem Vakuumgießen in das Formwerkzeug derart angeordnet, dass nach dem Vakuumgießen das Verstärkungsmittel in der Wandung oder dem Boden des Bioreaktors integriert ist. Alternative Verstärkungsmittel können dabei Faserverstärkungen, wie beispielweise Kohlenstoff- oder Glasfasern, sowie starre metallische Verstärkungsmittel, welche beispielsweise als Gitter oder Ringelement ausgeführt sind, sein.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein funktionsintegrativer Bioreaktor aus Kunststoff, wobei zumindest eine aktorische oder sensorische Funktion in die Wandung oder den Boden des Bioreaktors eingebracht ist, wobei die aktorische oder sensorische Funktion an einen Funktionsträger angeordnet ist und wobei der Funktionsträger eingerichtet ist zur reproduzierbaren Anordnung der aktorischen oder sensorischen Funktion. Der Funktionsträger ist dabei vorteilhaft durch ein generatives Fertigungsverfahren erhältlich ausgebildet. Dadurch kann der Funktionsträger individuell gemäß den Anforderungen erzeugt werden.
Die aktorische oder sensorische Funktion kann erfindungsgemäß in der Wandung oder den Boden integriert sein, wobei es vorgesehen sein kann das zumindest ein Teil der aktorischen oder sensorischen Funktion in den Prozessraum des Bioreaktors hineinragt, sodass die aktorische oder sensorische Funktion zumindest teilweise mit dem Medium in Verbindung steht.
Unter aktorischen Funktionen im Sinn der vorliegenden Erfindung werden Funktionen wie Temperierung, Begasung, Durchmischung, Beleuchtung, etc. verstanden.
Bevorzugt wird zumindest eine Vorrichtung zur Temperierung und zumindest eine Vorrichtung zur Durchmischung in die Wandung des Bioreaktors eingebracht. Dadurch ist eine entsprechende Temperierung des Bioreaktors sowie eine Durchmischung des Mediums im Bioreaktor gewährleistet. Die Vorrichtung zur Temperierung kann dabei als Heizung und/oder Kühlung ausgebildet sein.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Bioreaktor aus einem Kunststoff ausgewählt aus Polycarbonat (PC), Polyetherimid (PEI), Polyethersulfon (PES), Polyphenylsulfon (PPSU), Polysulfon (PSU), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyetheretherketon (PEEK), Polyethylen (PE), Epoxidharz, Polyurethan (PUR), Ethylen/Vinylacetat (EVA) oder Ethylen-Vinylalkohol (EVOH) ausgebildet. Für die Herstellung des Bioreaktors eignen sich grundsätzlich alle gängigen Kunststoffe, wobei EVA und EVOH bevorzugt nur für die Herstellung von Einweg-Bioreaktoren verwendet werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist der Bioreaktor eine Vorrichtung zur Temperierung in der Wandung auf, welche fluidfrei ausgebildet ist. Durch eine fluidfreie Temperierung kann auf die Zuführung von Flüssigkeiten und die damit einhergehenden Anschlüsse verzichtet werden. Dies ermöglicht einen Einsatz des Bioreaktors ohne entsprechend notwendige Anschlüsse oder die Zuführung beispielsweise von Kühlwasser. Die Vorrichtung zur Temperierung kann dabei als Heizung und/oder Kühlung ausgebildet sein. Der Heizeffekt bzw. der Temperaturunterschied beider Oberflächen bei dem Peltier-Element wird durch elektrische Energie erzeugt. Mit Ausnahme des Peltier-Elements wird durch den Stromdurchfluss eines Widerstands, welcher in Form metallischer Drähte, Leiter sowie eingebetteter Kohlenstofffasern umgesetzt wird, thermische Energie freigesetzt. Die Wärmedifferenz bei dem Peltier-Element wird durch den gleichnamigen Peltier-Effekt erzeugt, der bei zwei in Kontakt stehenden Halbleitern auftritt, wenn diese stromdurchflossen sind.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Vorrichtung zur Temperierung als Heizung ausgebildet. Dabei kann die Vorrichtung zur Temperierung als Metallgitter/-draht, CF-Netz/-Roving (Kohlefasernetz), Heizelement, Peltier-Element, gedruckte Folien (Printed Electronics), flexible Leiterplatte, die ggf. mit applizierten Heizelementen versehen ist, ausgebildet sein.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Vorrichtung zur Temperierung als Kühlung ausgebildet. Dabei kann die Vorrichtung zur Temperierung als Kühlkanal, Peltier-Element ausgebildet sein.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Vorrichtung zur Temperierung aus thermisch leitfähigen Polymeren ausgebildet. Die thermisch leitfähigen Polymere werden beispielsweise in Mäanderform am Funktionsträger angeordnet oder bilden den Funktionsträger aus. Nachfolgend erfolgt die Integration in den Bioreaktor durch Vakuumgießen.
Die Temperierung kann durch die Integration dieser leitfähigen Strukturen sehr nah am Prozessraum erfolgen und durch eine Anpassung der Querschnitte oder der Mäanderdichte an individuelle Anforderungen, wie beispielsweise Temperaturgradienten über der Wandung, angepasst werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Leitern, wie Kupferrohren oder Heatpipes, stellen die thermisch leitfähigen Polymere keine Störstelle in der Wandung des erfindungsgemäßen Bioreaktors dar, da sie sich mit dem umgebenden Kunststoffmaterial verbinden. Korrosive Effekte werden hiermit vollständig ausgeschlossen und es verbleiben keine Freiräume zwischen den Temperierstrukturen und der Wandung des erfindungsgemäßen Bioreaktors. Weiter wird durch die Fertigungsmethodik erstmalig eine variable Skalierbarkeit der Temperierstrukturen mit der Behältergröße des erfindungsgemäßen Bioreaktors möglich. Erst hierdurch ist eine prozessraumnahe Anordnung der Temperierstrukturen möglich, die ansonsten zu einer mechanischen Schwächung der Reaktorwandung führen würde.
In einer Ausführungsform der Erfindung werden die thermisch leitfähigen Polymere über auf der Außenwandung des erfindungsgemäßen Bioreaktors angeordnete Kontaktierungsmittel mit austauschbaren Peltier-Elementen oder themoelektrischen Generatoren verbunden, die die eigentliche Heiz-, bzw. Kühlleistung übernehmen. Durch die relativ geringe thermische Leitfähigkeit des umgebenden Strukturpolymers der Wandung wird eine zusätzlich nützliche Isolationswirkung von Prozessraum und Temperierung erreicht, die die erforderlichen elektrischen Heiz- und Kühlleistungen reduziert.
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung wird eine Beheizung des Prozessraums über elektrisch leitfähige Polymere realisiert. Die elektrisch leitfähigen Polymere können analog den oben beschriebenen thermisch leitfähigen Polymeren in die Wandung des erfindungsgemäßen Bioreaktors integriert werden und dann als Widerstandsheizung fungieren. Die elektrisch leitfähigen Polymere können dabei auch in Mäanderform ausgebildet sein.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Bioreaktor eine Vorrichtung zur Durchmischung in der Wandung auf. Dadurch kann auf den Einsatz von Rührern im Medium verzichtet werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Vorrichtung zur Durchmischung ausgewählt aus Rührer, einem Piezoaktor und Compliant-Mechanismus, Magnetstabrührer mit integrierten Spulen oder magnetisch gekoppelter Rührer mit Spulen in Reaktorwand ggf. mit Führung, Basierend auf dem piezoelektrischem Effekt können durch das Anlegen einer Spannung an Piezoaktoren elastische Verformungen erzielt werden. In Verbindung mit nachgiebigen Strukturen – Compliant-Mechanismen – können diese bspw. durch die Nachbildung einer Fischschwanzflosse zur Mischung des Reaktionsmediums genutzt werden. In Anlehnung an die Form klassischer Rührer von STRs ist außerdem ein Scheiben- bzw. Propellerrührer realisierbar, der ein magnetisches Material an den Propellerenden besitzt und über in der Wandung integrierten Spulen angetrieben und ggf. auch geführt wird.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Vorrichtung zur Begasung ausgebildet als in die Wandung integrierter Kanal, bodennahes Insert als Sparger oder in einem Rührer integriert ist. Bei der Ausbildung als in die Wandung integrierter Kanal kann es vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Kanalöffnung mittels Ventilen verschlossen ist, welche nur bei Gasabgabe geöffnet werden. Dadurch kann ein Eindringen des Medium des Bioreaktors in das Kanalsystem vermieden werden, was insbesondere bei Mehrfachnutzung des Bioreaktors vorteilhaft für die Sterilisation ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Vorrichtung zur Begasung als flächige Begasungsstruktur ausgebildet. Vorteilhaft wird die flächige Begasungsstruktur mittels eines generativen Fertigungsverfahrens hergestellt und vor dem Vakuumgießen am Funktionsträger angeordnet. Dadurch wird eine reproduzierbare Positionierung der Begasungsstruktur gewährleistet.
In einer Ausgestaltung der Ausführungsform ist die flächige Begasungsstruktur in den Wandungen oder den Boden des erfindungsgemäßen Bioreaktors integriert. Durch die in den Wandungen oder Boden eingebrachten flächigen Begasungsstrukturen ist erstmals eine komplett flächige Begasung und damit eine Verteilung des Scherstresses auf einen weiten Bereich bei Biokatalysatoren möglich.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind in den flächigen Begasungsstrukturen generativ gefertigte Rückschlagventile vorgesehen, welches ein Eindringen von Fermentationsbrühe in die Begasungsstrukturen vermeidet. Beispielsweise können Öffnungen zur Begasung in den erfindungsgemäßen Bioreaktor im flächigen Begasungssystem vorgesehen sein, welche durch ein generativ gefertigtes Rückschlagventil gegen Eindringen von Medium oder anderen Flüssigkeiten aus dem Prozessraum des Bioreaktors vermeiden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die generativ gefertigten Rückschlagventile starr oder flexibel ausgebildet. In einer starren Ausführungsform werden beispielsweise kugel- oder kegelförmige Dichtungskörper, die entweder frei oder durch federnde Elemente im Ventil gelagert sind, oder Dichtungsklappen eingesetzt. Durch die gezielte Nutzung von Ausgangsmaterialien mit verschiedenen Elastizitätsmoduln können weiterhin flexible Ausführungsformen ausgebildet werden, bei denen über die angepasste Nachgiebigkeit des Dichtelements die Funktion gewährleistet ist. Weiterhin sind Kombinationen aus flexiblen und starren Materialien angedacht.
Durch die Nutzung generativer Fertigungsverfahren können individuell Rückschlagventile hergestellt werden, die den jeweiligen Bedürfnissen und Anforderungen des Anwenders an die Begasungsstrukturen gerecht werden. Zudem ist vorteilhaft eine freie Skalierbarkeit der Rückschlagventile möglich.
Durch die Verwendung der Rückschlagventile ist es zudem möglich, auf eine dauerhafte Begasung zu verzichten. Es kann auch ein gepulster Gaseintrag erfolgen.
Bevorzugt weisen die Rückschlagventile eine Dichtheit bis zumindest zu einem Überdruck von 0,5 bar (insgesamt 1,5 bar) auf. Der Öffnungsdruck in Durchlassrichtung ist vorzugsweise größer 50 mbar für eine Begasung mit 0,2 L / min. Das Begasungssystem ist bevorzugt für folgende Gase verwendbar: Luft, CO₂, O₂, N₂.
Die erfindungsgemäßen Rückschlagventile sind aufgrund Ihrer generativen Fertigung und der freien Skalierbarkeit auch in alternativen Verfahren und Anwendungen vorteilhaft einsetzbar. So können diese beispielsweise im Rahmen mikrofluidischer Prozesse oder -steuerungsvorrichtungen in gas- oder flüssigkeitsbasierten mikrofluidischen Systemen eingesetzt werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Vorrichtung zur Beleuchtung ausgewählt aus LED, OLED, LED/OLED-Folien oder LED/OLED auf einer flexiblen Halbleiterplatte. Die Nutzung von LED oder OLED-Bauelementen zur Beleuchtung ist dabei besonders vorteilhaft, da diese sich zum einen durch einen geringen Energiebedarf und zudem insbesondere bei der Verwendung von OLED-Bauelementen, durch ihre flexible Ausgestaltung auszeichnen. Dadurch können diese Bauelemente vorteilhaft in die zumeist zylindrische Wandung des Bioreaktors eingebracht werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Bioreaktor im Deckel einen Port auf, welcher für die Substratzugabe und/oder Probenentnahme ausgebildet ist. In einer alternativen Ausgestaltung weist die Wandung des Bioreaktors einen Port auf, welcher für die Substratzugabe und/oder Probenentnahme ausgebildet ist. In einer weiteren alternativen Ausgestaltung weist die Wandung des Bioreaktors ein Kanalsystem auf, welcher für die Substratzugabe und/oder Probenentnahme ausgebildet ist. Dabei kann es vorgesehen sein, dass das Kanalsystem mittels Ventilen verschlossen ist, welche nur bei Probenentnahme bzw. Substratzugabe geöffnet werden. Dadurch kann ein Eindringen des Medium des Bioreaktors in das Kanalsystem vermieden werden, was insbesondere bei Mehrfachnutzung des Bioreaktors vorteilhaft für die Sterilisation ist.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Wandung des Bioreaktors zumindest teilweise transparent ausgebildet. Die zumindest teilweise Transparenz der Wandung des Bioreaktors erlaubt dabei die optische Überprüfung des Mediums während des Einsatzes des Bioreaktors.
Es kann dabei vorgesehen sein, dass die Wandung ein Sichtfenster aufweist. Bevorzugt wird die Wandung des Bioreaktors transparent ausgebildet.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist in die Wandung des Bioreaktors zumindest ein Sensorsystem eingebracht. Das Sensorsystem ist dabei ausgewählt aus optischen Sensorsystemen, pH-Sensorsystemen, Sauerstoff- und/oder CO₂-Sensorsystemen, Sensorsysteme zur Bestimmung von Salz-, Zucker-, oder Edukt und Produktkonzentrationen im Medium, Trübung, optische Dichte, Zellzahl, Zelldichte, elektrische Leitfähigkeit, Biomassekonzentration, Fluoreszenz oder Redoxpotential. Optische Sensorsysteme können dabei beispielsweise zur Bestimmung der optischen Dichte während des Einsatzes des Bioreaktors dienen. Daneben kann der Bioreaktor weitere Sensorsysteme aufweisen, welche beispielsweise im Deckel des Bioreaktors angeordnet sind oder freibewegliche kabellose Sensoren dem Medium zugesetzt werden. Auch Sensoren mit optischer Datenübertragung, wie etwa OptiSens pH oder OptisSens DO (Sartorius, Göttingen), sind geeignet. Das Sensorsystem kann dabei vor dem Vakuumgießen an den Funktionsträger angeordnet werden. Dadurch können Sensorsystem in die Wandung oder den Boden des erfindungsgemäßen Bioreaktors integriert werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die aktorischen und sensorischen Funktionen, welche in die Wandung oder den Boden des Bioreaktors integriert sind, zumindest zweistückig ausgebildet. Dabei ist zumindest ein Teilstück der aktorischen oder sensorischen Funktion in die Wandung oder den Boden des Bioreaktors integriert und das zweite Teilstück über eine lösbare Verbindung mit dem ersten Teilstück verbunden, sodass bei Bedarf, dass zweite Teilstück vom ersten Teilstück gelöst und entfernt werden kann. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn der erfindungsmäße Bioreaktor gereinigt oder autoklaviert werden muss, wobei das erste Teilstück dabei beispielsweise als Sensorkopf ausgebildet ist und das zweite Teilstück beispielsweise elektronische Komponenten des Sensorsystems umfasst. Die lösbare Verbindung kann dabei beispielsweise als Steckverbindung ausgebildet sein, welche elektrisch leitfähig ausgebildet ist. Dadurch können elektronische Komponenten vor der Reinigung oder dem Autoklavieren entfernt werden, sodass eine aufwändige Entfernung oder ein Umrüsten unterbleibt. Es ist auch denkbar, dass ein erstes Teilstück in die Wandung oder den Boden des Bioreaktors integriert ist, während das zweite Teilstück außer des Bioreaktors angeordnet ist, wobei eine kontaktlose Datenübertragung zwischen ersten und zweiten Teilstück erfolgt. Die Übertragung kann beispielsweise induktiv oder kapazitiv oder optisch erfolgen. So können beispielsweise Messdaten der Sensorsysteme kontaktlos übertragen werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Steuerung der aktorischen oder sensorischen Funktion über eine Steuereinheit. Es kann auch vorgesehen sein, dass je nach Anwendungsfall nur bestimmte aktorische oder sensorische Funktionen mit der Steuereinheit verbunden sind. Dabei können verschiedene aktorische oder sensorische Funktionen in der Wandung oder dem Boden des Bioreaktors integriert sein, wobei diese nach Bedarf mit der Steuereinheit verbunden sind. Hierzu kann beispielsweise vorteilhafterweise die zweistückige Ausbildung der aktorischen oder sensorischen Funktionen genutzt werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden mehrere Funktionsträger vor dem Vakuumgießen in dem Formwerkzeug derart angeordnet, dass die Funktionsträger nach dem vakuumgießen in die Wandung oder den Boden des erfindungsgemäßen Bioreaktors integriert sind. Die Nutzung mehrerer Funktionsträger bietet sich für solche Fälle an, wo komplexe Geometrien der Funktionsträger realisiert werden müssen, die bei einstückig ausgebildeten Funktionsträgern nur mit erhöhtem Aufwand realisierbar sind. Denkbar ist auch eine modulare Gestaltung der Funktionsträger, wobei einzelne Module unterschiedliche aktorische oder sensorische Funktionen aufweisen und demnach anwenderspezifisch individuell zusammengestellt werden können.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zur Stabilisierung des erfindungsgemäßen Bioreaktors ein Verstärkungsmittel in der Wandung oder dem Boden integriert. Beispielsweise wird ein Drahtgeflecht als Verstärkungsmittel vor dem Vakuumgießen in das Formwerkzeug derart angeordnet, dass nach dem Vakuumgießen das Verstärkungsmittel in der Wandung oder dem Boden des Bioreaktors integriert ist. Alternative Verstärkungsmittel können dabei Faserverstärkungen, wie beispielweise Kohlenstoff- oder Glasfasern, sowie starre metallische Verstärkungsmittel, welche beispielsweise als Gitter oder Ringelement ausgeführt sind, sein
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst der Bioreaktor einen Einsatz, welcher zur Aufnahme des Mediums ausgebildet ist. Der Einsatz wird in den Bioreaktor angeordnet und kann dabei etwa zylinderförmig oder beutelförmig ausgebildet sein. Die Verwendung eines Einsatzes ist insbesondere für eine Mehrfachnutzung des Bioreaktors vorteilhaft, da eine aufwändige nachfolgende Sterilisation entfällt, da nur der Einsatz in direktem Kontakt mit dem Medium steht. Der Einsatz kann dabei zur Einmal- aber auch Mehrfachnutzung vorgesehen sein und beispielsweise getrennt vom Bioreaktor sterilisiert werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Einsatz semipermeabel ausgebildet. Dabei kann der Einsatz beispielsweise diffusionsoffen für Gase ausgebildet sein, sodass eine Begasung über den Bioreaktor gewährleistet wird.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Einsatz als rotierender/oszillierender Innenzylinder ausgebildet. Dabei wird durch die Rotation eine Durchmischung des Mediums gewährleistet ohne dass zusätzlich ein Rührer im Medium benötigt wird.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Einsatz transparent oder zumindest teiltransparent ausgebildet. Dies erlaubt eine optische Inspektion des Mediums unter der Verwendung des Bioreaktors.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Temperierung über ein Temperierungsmedium, welches den Zwischenraum zwischen der Wandung des Bioreaktors und dem Einsatz durchströmt.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein funktionsintegrativer Bioreaktor erhältlich durch ein erfindungsgemäßes Verfahren.
Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung eines Verfahrens zur Herstellung eines Bioreaktors sowie die Verwendung eines Bioreaktors für biotechnologische Anwendungen.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Kombinationen der Ansprüche oder einzelner Merkmale davon.
Ausführungsbeispiele:
Nachfolgend soll die Erfindung anhand einiger Ausführungsbeispiele und zugehöriger Figuren eingehender erläutert werden. Die Ausführungsbeispiele sollen dabei die Erfindung beschreiben ohne diese zu beschränken.
Die Figuren zeigen in
1 Schnittansichten des im Spritzguss gefertigten Laborbioreaktorgefäßes mit in die Wandung integrierten Funktionen für Temperierung, Beleuchtung, Rührung und Begasung, in
2 eine beispielhafte Darstellung der Realisierung einer Modularität der Beleuchtung durch Einschub von LED-Segmenten, in
3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen funktionsintegrativen Bioreaktors und in
4 eine schematische Ausschnittsdarstellung eines erfindungsgemäßen funktionsintegrativen Bioreaktors.
In einem ersten Ausführungsbeispiel wird in 1 der Grundaufbau des funktionsintegrativen Laborbioreaktor in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Die benötigten aktorischen Funktionen sind in die Kunststoffwandung des Bioreaktorgefäßes 1, welches das Reaktionsmedium im Reaktorraum 2 einschließt, integriert. Dabei wird die Temperierung durch eine Vorrichtung zur Temperierung 3, beispielsweise Peltier-Elemente, die Begasung durch eine Vorrichtung zur Gaszufuhr, wie ein bodennahes Kanalsystem mit Sparger 4, 7 die Rührung durch eine Vorrichtung zur Durchmischung, beispielsweise ein kunststoffummantelten Magnetstabrührer 5 und ein im Boden integrierten Spulensystem 6 sowie die Beleuchtung 8 beispielsweise durch LEDs umgesetzt. Das Reaktorgefäß besteht beispielsweise aus Polycarbonat (PC), welches eine gute Beständigkeit gegen Chemikalien und Wärme aufweist und klarsichtig ist. Durch die Transparenz des Materials wird in den Bereichen 9 ein klarsichtiger Kontrollbereich zur Reaktionsüberwachung (z. B. Schaumbildung) realisiert. Die Realisierung sensorischer Funktionen, wie z. B. Temperatur- und pH-Wert-Messung, sowie die Substratzugabe bzw. Probenentnahme wird zunächst im Deckel vorgesehen, um bewährte Standardlösungen (z. B. Ports und Kanülen) zu verwenden. Eine weitere Möglichkeit ist es, diese Funktionen ebenfalls in die Reaktorhülle, bspw. durch innenseitige Einwegsensoren und kunststoffgerechte Portsysteme, zu integrieren.
Die Besonderheit der Erfindung ist der Herstellungsprozess, der die beste Nutzung der oben genannten Vorteile von funktionsintegrativen Kunststoff-Bioreaktoren ermöglicht, indem die Formgebung und die Integration der einzelnen Funktionselemente zusammengeführt werden. Dadurch ist ein sehr schneller, kostengünstiger Prozess realisierbar, der zudem die Einbettung der Funktionselemente in dem thermoplastischen Kunststoff ermöglicht und somit ein sehr geringes Kontaminationsrisiko gewährleistet. Dazu wird hier das Spritzgießverfahren gewählt. Bevor das Spritzgießwerkzeug geschlossen wird, werden die elektrischen Funktionselemente (3, 6, 8) sowie ggf. benötigte Formkerne (z. B. für Begasung 4) eingelegt und bspw. mit Gitterstrukturen fixiert. Im anschließenden Formfüllungsschritt wird eine Einheit aus den Funktionselementen und der umschließenden Matrix gebildet. Aufgrund der hohen Formfreiheit des vorgestellten Verfahrens im Vergleich zu klassischen glasverarbeitenden Verfahren lassen sich kostengünstig und schnell komplexe Geometrien zur Integration der Begasungskanäle 4 und 7 im Prozess realisieren. Weiterhin ermöglicht dies das problemlose Skalieren des Bioreaktors in einer großen Volumenbandbreite. Bei der Wahl der zu integrierenden Funktionselemente werden die prozesstechnischen Bedingungen, bspw. Verarbeitungstemperatur und -druck, beachtet und somit eine Kompatibilität mit dem Prozess gewährleistet. Die einzelnen für das Ausführungsbeispiel gewählten Funktionselemente und deren Umsetzung werden im Weiteren näher erläutert. Alternativ zum beschriebenen Spritzgießen sind auch generative Verfahren (z. B. FDM) zur Umsetzung des vorgestellten Prozess angedacht, die aufgrund ihrer Vorteile für kleine Stückzahlen für Kleinserien und Spezialanfertigungen zum Einsatz kommen.
Zur Temperierung des Reaktionsmediums werden in der Ausführungsvariante Peltier-Elemente 3 verwendet, die durch das Anlegen der entsprechenden Spannung Kühl- und Heizfunktion übernehmen. Dazu werden drei Peltier-Kreissegmente verwendet, die im Spritzgießverfahren direkt in die Wandung integriert werden. Dabei wird eine möglichst dünn ausgeführte Kunststofftrennwand zwischen Mediums und dem Peltier-Element umgesetzt, um eine möglichst effiziente Wärmeübertragung zu realisieren und die niedrige Wärmeleitfähigkeit des PC zu kompensieren. Durch die beschriebene Umsetzung entfallen zusätzliche Temperiermedienkreisläufe und Regelungen, wie sie von klassischen, doppelwandigen Laborbioreaktoren bekannt sind. Es entsteht somit eine Plug-and-Play Lösung, die zeitsparend nur an eine Spannungsquelle angeschlossen wird. Durch eine an die gemessene Temperatur angepasste Einstellung der Spannung lässt sich die Temperatur einfach regeln.
Die Mischung des Reaktionsmediums wird durch einen Magnetstabrührer 5 gewährleistet. Die Besonderheit ist dabei die Integration eines Spulensystems 6 zur Generierung eines sich drehenden Elektromagnetfeldes im Bodenbereich des Reaktors. Diese werden ebenfalls im Spritzgießprozess in die Polymermatrix integriert. Durch die entsprechende Schaltung der im Kreis angeordneten Spulenpaare, wird – ähnlich dem Wirkprinzip des Elektromotors – ein sich drehendes Magnetfeld erzeugt, welches den im Reaktionsmedium befindlichen Magnetstab in Drehung versetzt. Durch die beschriebene Rührvorrichtung wird im Vergleich zu bestehenden Magnetrührerlösungen ein deutlich vereinfachter Versuchsaufbau realisiert, der verkürzte Rüstzeiten, flexiblerer Einsatzortwahl sowie geringere Investitionskosten ermöglicht.
Die Begasung wird über ein Kanalsystem 4 und einen Sparger 7 durchgeführt. Dabei kann der Sparger selbst aus Metall ausgeführt sein und ggf. über eine entsprechende Ventiltechnik verfügen, um keine Kontamination der Kultur zu gewährleisten. Der Anschluss erfolgt über einen einfach zugänglichen, außen befindlichen Eingang, der bspw. durch eine Gewindeverbindung realisiert wird.
Für die Beleuchtung kommen ebenfalls drei Beleuchtungssegmente mit LEDs zum Einsatz. Die LEDs sind dabei beispielsweise auf eine flexible Halbleiterplatte gefügt, die sich im Herstellprozess einfach handhaben lassen und vor der Formfüllung in das Spritzgießwerkzeug eingelegt werden. Durch eine entsprechende Schaltungstechnik und durch die Verwendung von Dioden unterschiedlicher Wellenlänge lässt sich eine sehr gute Anpassung an die benötigten Wellenlängenbereiche realisieren.
Da mit diesem innovativen Herstellungsverfahren aufgrund dessen geringer Prozess- und Materialkosten geringe Gesamtkosten erzielt werden können, eignet es sich sowohl für Mehrweg- als auch für Einwegbioreaktorlösungen. Durch die große Formvariabilität des Kunststoffmaterials ist eine Realisierung eines modularen Aufbaus, bspw. durch Steck- und Klickverbindungen, gewährleistet. Dadurch lassen sich anwendungsorientiert Materialkosten senken und kostenintensive Funktionselemente wiederverwenden bzw. im Reparaturfall leicht austauschen. Dies ist in 2 am Beispiel der LED-Beleuchtung veranschaulicht. Durch die Umsetzung von Einschüben, die von der Unterseite des Reaktors zugänglich sind, lassen sich die flexiblen Leiterplatten mit den applizierten LEDs je nach Bedarf von untern einschieben ohne jegliches Kontaminationsrisiko. Werden diese nicht benötigt, können die vorgesehenen Aufnahmen einfach leer verbleiben. Dieses beispielhafte Vorgehen lässt sich auch auf die Peltier-Elemente 3 übertragen, die bspw. außenseitig durch Klickverbindungen montiert werden können.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist in der 4 eine schematische Ausschnittsdarstellung eines Teil des erfindungsgemäßen Bioreaktors 1 dargestellt. Dabei kann der 4 entnommen werden, dass im Bodenbereich des Bioreaktors 1 eine Vorrichtung zur Begasung 4 integriert ist, welche als flächige Begasungsstruktur ausgebildet ist und Öffnung 10 zur Begasung aufweist. Um ein unerwünschtes Eindringen von Medium in die flächige Begasungsstruktur zu vermeiden sind in den Öffnungen 10 Rückschlagventile 11 vorgesehen. Vorteilhafterweise werden die Rückschlagventile 11 durch ein generatives Verfahren hergestellt und sind somit entsprechend den Anforderungen skalierbar.
Bezugszeichenliste

1: Bioreaktorgefäß
2: Reaktorraum
3: Vorrichtung zur Temperierung
4: Vorrichtung zur Gaszufuhr
5: Vorrichtung zur Durchmischung
6: Spulensystem
7: Sparger
8: Beleuchtung
9: Transparenter Bereich des Bioreaktors
10: Rückschlagventil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims

Verfahren zur Herstellung eines funktionsintegrativen Bioreaktors, aus einem Kunststoff, wobei bei der Herstellung des Bioreaktors zumindest eine aktorische oder sensorische Funktion in die Wandung des Bioreaktors eingebracht wird und die zumindest eine aktorische Funktion ausgewählt ist aus Temperierung und Durchmischung, umfassend die Schritte: – Herstellen zumindest eines Funktionsträgers, – Anordnen der zumindest einen aktorischen oder sensorischen Funktion an dem zumindest einen Funktionsträger, – Einbringen des Funktionsträgers mit angeordneter aktorischer Funktion in ein Formwerkzeug, – Herstellen des funktionsintegrativen Bioreaktors im Formwerkzeug durch Vakuumgießen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung des Funktionsträgers durch ein generatives Verfahren ausgewählt aus Fused Deposition Modeling, Laminated Object Modelling, Multi Jet Modeling, Polyamidguss, selektives Lasersintern, Space Puzzle Molding, Vakuumgießen oder Stereolithografie erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff ausgewählt aus Polycarbonat, Polyetherimid, Polyethersulfon, Polyphenylsulfon, Polysulfon, Polymethylmethacrylat, Polyetheretherketon, Polyethylen, Epoxidharz, Polyurethan, Ethylen/Vinylacetat oder Ethylen-Vinylalkohol.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der aktorischen oder sensorischen Funktion am Funktionsträger durch ein Anbindungselement erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung zur Temperierung in die Wandung des Bioreaktors eingebracht wird, welche fluidfrei ausgebildet ist und wobei die Vorrichtung zur Temperierung als Kühlung und/oder Heizung ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Temperierung als Heizung ausgebildet ist, wobei die Heizung als Metallgitter/-draht, CF-Netz/-Roving, Heizelement, Peltier-Element, gedruckte Folie oder flexible Leiterplatte ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Temperierung als Kühlung ausgebildet ist, wobei die Vorrichtung zur Temperierung als Kühlkanal oder Peltier-Element ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Temperierung aus thermisch leitfähigen Polymeren ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung zur Durchmischung in die Wandung des Bioreaktors eingebracht wird, wobei die Vorrichtung zur Durchmischung ausgewählt ist aus Rührer, einem Piezoaktor und Compliant-Mechanismus, Magnetstabrührer mit integrierten Spulen oder magnetisch gekoppelter Rührer mit Spulen in Reaktorwand ggf. mit Führung.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Begasung in die Wandung des Bioreaktors als integrierter Kanal eingebracht ist, als bodennahes Insert in den Bioreaktor eingebracht ist oder in einem Rührer integriert ist.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Begasung als flächige Begasungsstruktur ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in den flächigen Begasungsstrukturen generativ gefertigte Rückschlagventile vorgesehen sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung zur Beleuchtung in die Wandung des Bioreaktors eingebracht ist, wobei die Vorrichtung zur Beleuchtung die ausgewählt aus LED, OLED, LED/OLED-Folien oder LED/OLED auf einer flexiblen Halbleiterplatte ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung des Bioreaktors die zumindest teilweise transparente Ausbildung der Wandung des Bioreaktors umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Sensorsystem in die Wandung des Bioreaktors eingebracht ist, wobei das Sensorsystem ausgewählt ist aus optischen Sensorsystemen, pH-Sensorsystemen, Sauerstoff- und/oder CO₂-Sensorsystemen, Sensorsysteme zur Bestimmung von Salz-, Zucker-, oder Edukt und Produktkonzentrationen im Medium, Trübung, optische Dichte, Zellzahl, Zelldichte, elektrische Leitfähigkeit, Biomassekonzentration, Fluoreszenz oder Redoxpotential.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aktorischen und sensorischen Funktionen, welche in die Wandung oder den Boden des Bioreaktors integriert sind, zumindest zweistückig ausgebildet sind.
Funktionsintegrativer Bioreaktor aus einem Kunststoff, wobei zumindest eine aktorische oder sensorische Funktion in die Wandung oder den Boden des Bioreaktors eingebracht ist, wobei die aktorische oder sensorische Funktion an einen Funktionsträger angeordnet ist, wobei der Funktionsträger eingerichtet ist zur reproduzierbaren Anordnung der aktorischen oder sensorischen Funktion.
Funktionsintegrativer Bioreaktor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der aktorischen oder sensorischen Funktion am Funktionsträger durch ein Anbindungselement erfolgt.
Funktionsintegrativer Bioreaktor nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Bioreaktor aus einem Kunststoff ausgewählt aus Polycarbonat (PC), Polyetherimid (PEI), Polyethersulfon (PES), Polyphenylsulfon (PPSU), Polysulfon (PSU), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyetheretherketon (PEEK), Polyethylen (PE), Epoxidharz, Polyurethan (PUR), Ethylen/Vinylacetat (EVA) oder Ethylen-Vinylalkohol (EVOH) ausgebildet ist.
Funktionsintegrativer Bioreaktor nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Bioreaktor eine Vorrichtung zur Temperierung in der Wandung aufweist, welche fluidfrei ausgebildet ist.
Funktionsintegrativer Bioreaktor nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Temperierung als Heizung ausgebildet ist, wobei die Heizung als Metallgitter/-draht, CF-Netz/-Roving, Heizelement, Peltier-Element, gedruckte Folie oder flexible Leiterplatte ausgebildet ist.
Funktionsintegrativer Bioreaktor nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Temperierung als Kühlung ausgebildet ist, wobei die Vorrichtung zur Temperierung als Kühlkanal oder Peltier-Element ausgebildet ist.
Funktionsintegrativer Bioreaktor nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass aus thermisch leitfähigen Polymeren ausgebildet ist.
Funktionsintegrativer Bioreaktor nach einem der Ansprüche 17 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung zur Durchmischung in die Wandung des Bioreaktors eingebracht wird, wobei die Vorrichtung zur Durchmischung ausgewählt ist aus Rührer, einem Piezoaktor und Compliant-Mechanismus, Magnetstabrührer mit integrierten Spulen oder magnetisch gekoppelter Rührer mit Spulen in Reaktorwand.
Funktionsintegrativer Bioreaktor nach einem der Ansprüche 17 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass in die Wandung des Bioreaktors eine Vorrichtung zur Beleuchtung eingebarcht ist, wobei die Vorrichtung zur Beleuchtung die ausgewählt ist aus LED, OLED, LED/OLED-Folien oder LED/OLED auf einer flexiblen Halbleiterplatte.
Funktionsintegrativer Bioreaktor nach einem der Ansprüche 17 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Sensorsystem in die Wandung des Bioreaktors eingebracht ist, wobei das Sensorsystem ausgewählt ist aus optischen Sensorsystemen, pH-Sensorsystemen, Sauerstoff- und/oder CO₂-Sensorsystemen, Sensorsysteme zur Bestimmung von Salz-, Zucker-, oder Edukt und Produktkonzentrationen im Medium, Trübung, optische Dichte, Zellzahl, Zelldichte, elektrische Leitfähigkeit, Biomassekonzentration, Fluoreszenz oder Redoxpotential.
Funktionsintegrativer Bioreaktor nach einem der Ansprüche 17 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass als aktorische Funktion eine Vorrichtung zur Begasung als flächige Begasungsstruktur ausgebildet ist.
Funktionsintegrativer Bioreaktor nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass in den flächigen Begasungsstrukturen generativ gefertigte Rückschlagventile vorgesehen sind.
Funktionsintegrativer Bioreaktor nach einem der Ansprüche 17 bis 28, weiterhin umfassend einen Einsatz, welcher zur Aufnahme des Mediums ausgebildet ist, wobei der Einsatz zylinderförmig oder beutelförmig ausgebildet ist.
Funktionsintegrativer Bioreaktor nach einem der Ansprüche 17 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz semipermeabel ausgebildet ist.
Funktionsintegrativer Bioreaktor nach einem der Ansprüche 17 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz als rotierender/oszillierender Innenzylinder ausgebildet ist.
Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 16 zur Herstellung eines funktionsintegrativen Bioreaktors sowie Verwendung eines funktionsintegrativen Bioreaktors nach einem der Ansprüche 17 bis 31 für biotechnologische Anwendungen.