DE102018120885A1 - Device and method for the controlled feeding of substrate - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung (1) und Verfahren zur kontrollierten Zuführung von Substrat aus einem Substratbehälter (4) in einen Bioreaktor (2) zur Zellkultivierung über eine in einer Substratzuleitung (14) zu einem Reaktorinnenraum (3) des Bioreaktors (2) angeordnete Substratpumpe (5), die mit einer Steuer- und Regeleinheit (7) zur Steuerung der Substratpumpe (5) in Abhängigkeit von einem CO2-Steuersignal in Verbindung steht, wobei in einer Abluftleitung (12) des Reaktorinnenraumes (3) über eine mit der Steuer- und Regeleinheit (7) verbundene Abgasanalytik (13) ein CO2-Ausgangssignal ermittelt wird.
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass dem Reaktorinnenraum (3) über einen mit der Steuer- und Regeleinheit (7) in Verbindung stehenden Massendurchflussregler (6) 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.

Figure DE102018120885A1_0000
The invention relates to a device (1) and method for the controlled feeding of substrate from a substrate container (4) into a bioreactor (2) for cell cultivation via a in a substrate feed line (14) to a reactor interior (3) of the bioreactor (2). arranged substrate pump (5), which is connected to a control and regulating unit (7) for controlling the substrate pump (5) in dependence on a CO 2 control signal, wherein in an exhaust line (12) of the reactor interior (3) via a the control and regulating unit (7) connected exhaust gas analysis (13) a CO 2 output signal is determined.
The invention is characterized in that CO 2 is fed to the reactor interior (3) via a mass flow controller (6) connected to the control and regulating unit (7) and a CO 2 input signal is determined, and in that the CO 2 control signal is formed from the difference between the CO 2 input signal and the CO 2 output signal.
Figure DE102018120885A1_0000

Description

Gebiet der ErfindungField of the Invention

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.The invention relates to a device for the controlled feeding of substrate from a substrate container into a bioreactor for cell cultivation via a substrate pump arranged in a substrate feed line to a reactor interior of the bioreactor, the substrate pump being connected to a control and regulating unit for controlling the substrate pump, and wherein an exhaust air line of the reactor interior is connected to an exhaust gas analysis system for determining a CO 2 output signal.

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.The invention further relates to a method for the controlled feeding of substrate from a substrate container into a bioreactor for cell cultivation via a substrate pump which is arranged in a substrate feed line to a reactor interior of the bioreactor and which has a control unit for controlling the substrate pump as a function of a CO 2 . Control signal is connected, a CO 2 output signal being determined in an exhaust air line of the reactor interior via an exhaust gas analysis connected to the control and regulating unit.

Stand der TechnikState of the art

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.Fed batch processes are used to prolong the growth of organisms, to influence them or to control product regulation. These are characterized in that a defined amount of a substrate (usually a carbon source) is added to the cell suspension. In order for a cultivation process to be successful, exact regulation of the substrate addition is necessary.

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 CO2-Ausgangssignals verbunden.From the EP 0 345 588 A1 A device and a method for the controlled feeding of substrate from a substrate container into a bioreactor for cell cultivation are known. The substrate container is connected to a reactor interior of the bioreactor via a substrate feed line. A substrate pump is arranged in the substrate feed line, the substrate pump being connected to a control and regulating unit for controlling the substrate pump. An exhaust air line of the reactor interior is connected to an exhaust gas analysis system for determining a CO 2 output signal.

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.A disadvantage of the known device and method is that the CO 2 output signal of the control and regulation unit determined in the exhaust air line is used directly to control the substrate pump. The CO 2 concentration in the exhaust air therefore serves as the measured variable for controlling the substrate supply. However, this is insufficient to regulate the feed or substrate flow online using a feedback control and to react quickly to any process deviations.

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 CO2-Konzentration über eine CO2-Messsonde im Reaktorinnenraum des Bioreaktors ständig erfasst werden.From the DE 40 37 325 C2 A device and a method for the controlled feeding of a substrate or nutrient medium (for example glucose) from a substrate container into a bioreactor (fermenter) for cell cultivation are known. The metering of the nutrient medium is controlled via a key parameter, the value of which is constantly determined. As a guiding parameter, the CO 2 concentration can be continuously recorded using a CO 2 measuring probe in the reactor interior of the bioreactor.

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.A disadvantage of CO 2 measurement in the medium of the reactor interior is that this value is not suitable for drawing conclusions about the amount of substrate used in the medium, since an equilibrium value is established in the medium in the reactor interior.

Aufgabenstellungtask

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.It is the object of the present invention to improve the known bioreactors and methods for the controlled feeding of substrate into a bioreactor for cell cultivation in such a way that the feeding of substrate - that is to say the feed - is controlled simply and safely by means of a feedback control and online directly for process deviations can be reacted to.

Darlegung der ErfindungStatement of the invention

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.The object is achieved with respect to the device in connection with the features of the preamble of claim 1 in that a CO 2 feed line is connected via a mass flow controller to the reactor interior for supplying CO 2 , that the mass flow controller is connected to the control and regulating unit Determination of a CO 2 input signal is connected, and that the substrate pump can be controlled as a function of a CO 2 control signal formed from the difference between the CO 2 input signal and the CO 2 output signal.

Im Sinne dieser Anmeldung umfasst der Begriff der Zellkultur auch Kulturen von Mikroorganismen.For the purposes of this application, the term cell culture also includes cultures of microorganisms.

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.Due to the fact that the difference between the CO 2 input signal and the CO 2 output signal is used as a control signal for the substrate pump, any process deviations are recognized immediately and are directly, ie immediately, incorporated into the control of the substrate pump. Since CO 2 (carbon dioxide) is excreted in the respiratory metabolism during the aerobic metabolism of the cells to be cultivated, the CO 2 output signal also correlates with cell growth. Is also the CO 2 output signal, which is recorded via an exhaust gas analysis, is very stable and is not influenced, for example, by adding pure O 2 . Process deviations go directly into the CO 2 input signal and are compensated for via the CO 2 control signal when adding the substrate via the control of the substrate pump.

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.According to a preferred embodiment of the invention, the substrate pump can be controlled by a pump control signal formed by the control and regulating unit from the CO 2 control signal. Detected process deviations can be taken into account in the pump control signal and compensated for more quickly.

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 Die Aufgabe bezüglich des Verfahrens wird in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruches 5 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.According to a further preferred embodiment of the invention, the CO 2 feed is connected on the reactor side to a gassing element arranged in the reactor interior. A stirring element can also be arranged in the interior of the reactor. The object with regard to the method is achieved in connection with the preamble of claim 5 in that CO 2 is fed to the interior of the reactor via a mass flow controller connected to the control and regulating unit and a CO 2 input signal is determined and that the CO 2 control signal is formed from the difference between the CO 2 input signal and the CO 2 output signal.

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.Due to the fact that in the method according to the invention a CO 2 control signal is formed from the difference between the CO 2 input signal and the CO 2 output signal, on the basis of which the substrate pump is regulated, any process deviations are recognized immediately and go directly, i.e. immediately, into the Control of the substrate pump. Since carbon dioxide (CO 2 ) is excreted in the respiratory metabolism during the aerobic metabolism of the cells to be cultivated, the CO 2 output signal also correlates with cell growth. The CO 2 output signal, which is recorded via exhaust gas analysis, is also very stable and is not influenced, for example, by adding pure oxygen (O 2 ). Process deviations go directly into the CO 2 input signal and are compensated for via the CO 2 control signal when adding the substrate via the control of the substrate pump.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann für mikrobielle Applikationen genutzt werden. Auch ist ein Einsatz für Säugetierzellen, Pflanzenzellen oder Insektenzellen möglich.The method according to the invention can be used for microbial applications. It can also be used for mammalian cells, plant cells or insect cells.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das CO2-Steuersignal von der Steuer- und Regeleinheit verarbeitet und die Substratpumpe durch ein entsprechendes Pumpenansteuerungssignal angesteuert.According to a preferred embodiment of the invention, the CO 2 control signal is processed by the control and regulating unit and the substrate pump is controlled by a corresponding pump control signal.

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.According to a preferred embodiment of the invention, the CO 2 control signal is processed by the control and regulating unit and compared with a target value. Any deviations of the actual value from the target value are compensated for by correspondingly corrected pump control signals from the substrate pump.

Die Substratpumpe führt eine vorbestimmte Menge einer Substrat- oder Feedlösung 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.The substrate pump supplies a predetermined amount of a substrate or feed solution from the substrate container to the reactor interior. For example, the substrate pump supplies the reactor interior with glucose from the substrate container as a feed solution. Depending on the cultivation, a substrate with a suitable carbon source can also be supplied from the substrate container.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann dem Reaktorinnenraum über einen mit der Steuer- und Regeleinheit in Verbindung stehenden Massendurchflussregler Sauerstoff (O2) zugeführt werden. Grundsätzlich kann dies über einen eigenen Massendurchflussregler oder den Massendurchflussregler für das Kohlendioxyd erfolgen.According to a preferred embodiment of the invention, oxygen (O 2 ) can be supplied to the reactor interior via a mass flow controller connected to the control and regulating unit. Basically, this can be done via a separate mass flow controller or the mass flow controller for the carbon dioxide.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.Further features and advantages of the invention result from the following special description and the drawings.

Figurenlistelist of figures

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.
Show it:
  • 1 : a schematic representation of a device for the controlled feeding of substrate from a substrate container into a bioreactor;
  • 2 : a correlation of a CO 2 output signal from the exhaust gas analysis with the specific growth rate µ for an Escherichia coli process with µ = 0.7 h -1 ;
  • 3 : Results from an E. coli fed batch cultivation with a growth rate µ = 0.15 h -1 . The amount of glucose supplied is shown against the volume flow of the feed solution (feed flow rate);
  • 4 : Results from an E. coli fed batch cultivation with a growth rate µ = 0.4 h -1 . The amount of glucose supplied is shown against the volume flow of the feed solution (feed flow rate).

Beschreibung bevorzugter AusführungsformenDescription of preferred embodiments

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.A device according to the invention 1 consists essentially of a bioreactor 2 With a reactor interior 3 , a substrate container 4 , a substrate pump 5 , a mass flow controller 6 and a control and regulating unit 7 ,

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.The bioreactor 2 points in its reactor interior 3 next to a stirring element 8th a fumigation element 9 on that with a reactor end 10 a CO 2 feed line 11 connected is. The CO 2 feed line 11 is with the mass flow controller 6 connected, the carbon dioxide (CO 2 ) is supplied from a CO 2 source, not shown. From an O 2 source (not shown ) , the mass flow controller can be used 6 the reactor interior 3 oxygen (O 2 ) can also be supplied. This is basically also via a second mass flow controller (not shown) with a corresponding oxygen line to the reactor interior 3 possible.

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.Via one with reactor interior 3 connected exhaust duct 12 can escape CO 2 and possibly also O 2 . The exhaust duct 12 is with exhaust gas analysis 13 connected to determine a CO 2 output signal. The exhaust gas analysis 13 in turn stands with the control unit 7 in connection.

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.The control and regulation unit 7 determined via the mass flow controller 6 a CO 2 input signal and forms the difference between the CO 2 input signal and that from the exhaust gas analysis 13 measured CO 2 output signal, a CO 2 control signal, on the basis of which the control and regulating unit 7 a pump control signal for controlling the substrate pump 5 is formed from the substrate container 4 Substrate via a substrate feed line 14 into the reactor interior 3 of the bioreactor 2 inflated.

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.Statements about the growth behavior of the cells to be cultivated can be calculated from the course of the CO 2 concentration. The growth (specific growth rate µ) is directly proportional to the CO 2 control signal. The growth depends on the amount of substrate supplied, for example the amount of glucose supplied.

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.In 2 is a correlation of the CO 2 signal from exhaust gas analysis 13 with the specific growth rate µ for an Escherichia coli process with a specific growth rate of µ = 0.7 h -1 .

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.In 3 are results from an E. coli fed batch cultivation with a growth rate µ = 0.15 h -1 and from 4 results from an E. coli fed batch cultivation with a growth rate µ = 0.4 h -1 are shown. The amount of glucose supplied is shown in each case via the volume flow of the feed solution (feed flow rate). It can be clearly seen that the increase in the feed flow rate is analogous to the CO 2 signal.

Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum von Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben.Of course, the embodiments discussed in the specific description and shown in the figures represent only illustrative exemplary embodiments of the present invention. In the light of the disclosure herein, the person skilled in the art is provided with a broad spectrum of possible variations.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Vorrichtungcontraption
22
Bioreaktorbioreactor
33
ReaktorinnenraumReactor interior
44
Substratbehältersubstrate container
55
Substratpumpesubstrate pump
66
MassendurchflussreglerMass Flow Controller
77
Steuer- und RegeleinheitControl and regulation unit
88th
Rührelementstirrer
99
Begasungselementgassing
1010
reaktorseitiges Ende von 11 reactor end of 11
1111
CO2-ZuleitungCO 2 supply
1212
Abluftleitungexhaust duct
1313
Abgasanalytikexhaust gas analysis
1414
Substratzuleitungsubstrate supply

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • EP 0345588 A1 [0004]EP 0345588 A1 [0004]
  • DE 4037325 C2 [0006]DE 4037325 C2 [0006]

Claims (10)

Vorrichtung (1) zur kontrollierten Zuführung von Substrat aus einem Substratbehälter (4) in einen Bioreaktor (2) zur Zellkultivierung über eine in einer Substratzuleitung (14) zu einem Reaktorinnenraum (3) des Bioreaktors (2) angeordnete Substratpumpe (5), wobei die Substratpumpe (5) mit einer Steuer- und Regeleinheit (7) zur Steuerung der Substratpumpe (5) in Verbindung steht, und wobei eine Abluftleitung (12) des Reaktorinnenraumes (3) mit einer Abgasanalytik (13) zur Ermittlung eines CO2-Ausgangssignals verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine CO2-Zuleitung (11) über einen Massendurchflussregler (6) mit dem Reaktorinnenraum (3) zur Zuführung von CO2 in Verbindung steht, dass der Massendurchflussregler (6) mit der Steuer- und Regeleinheit (7) zur Ermittlung eines CO2-Eingangssignals verbunden ist, und dass die Substratpumpe (5) in Abhängigkeit eines aus der Differenz vom CO2-Eingangssignal und CO2-Ausgangssignals gebildeten CO2-Differenzsignals steuerbar ist.Device (1) for the controlled feeding of substrate from a substrate container (4) into a bioreactor (2) for cell cultivation via a substrate pump (5) arranged in a substrate feed line (14) to a reactor interior (3) of the bioreactor (2), the Substrate pump (5) is connected to a control and regulating unit (7) for controlling the substrate pump (5), and an exhaust air line (12) of the reactor interior (3) is connected to an exhaust gas analysis (13) for determining a CO 2 output signal characterized in that a CO 2 feed line (11) is connected via a mass flow controller (6) to the reactor interior (3) for supplying CO 2 , that the mass flow controller (6) is connected to the control and regulating unit (7) is connected to determine a CO 2 input signal, and that the substrate pump (5) is controllable as a function of a CO 2 difference signal formed from the difference between the CO 2 input signal and the CO 2 output signal st. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratpumpe (5) durch ein von der Steuer- und Regeleinheit (7) aus dem CO2-Steuersignal gebildetes Pumpenansteuerungssignal steuerbar ist.Device after Claim 1 , characterized in that the substrate pump (5) can be controlled by a pump control signal formed by the control and regulating unit (7) from the CO 2 control signal. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die CO2-Zuleitung (11) reaktorseitig mit einem im Reaktorinnenraum (3) angeordneten Begasungselement (9) verbunden ist.Device after Claim 1 or 2 , characterized in that the CO 2 feed line (11) is connected on the reactor side to a gassing element (9) arranged in the reactor interior (3). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Reaktorinnenraum (3) ein Rührelement (8) angeordnet ist.Device according to one of the Claims 1 to 3 , characterized in that a stirring element (8) is arranged in the reactor interior (3). Verfahren zur kontrollierten Zuführung von Substrat aus einem Substratbehälter (4) in einen Bioreaktor (2) zur Zellkultivierung über eine in einer Substratzuleitung (14) zu einem Reaktorinnenraum (3) des Bioreaktors (2) angeordnete Substratpumpe (5), die mit einer Steuer- und Regeleinheit (7) zur Steuerung der Substratpumpe (5) in Abhängigkeit von einem CO2-Steuersignal in Verbindung steht, wobei in einer Abluftleitung (12) des Reaktorinnenraumes (3) über eine mit der Steuer- und Regeleinheit (7) verbundene Abgasanalytik (13) ein CO2-Ausgangssignal ermittelt wird dadurch gekennzeichnet, dass dem Reaktorinnenraum (3) über einen mit der Steuer- und Regeleinheit (7) in Verbindung stehenden Massendurchflussregler (6) 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.Process for the controlled feeding of substrate from a substrate container (4) into a bioreactor (2) for cell cultivation via a substrate pump (5) arranged in a substrate feed line (14) to a reactor interior (3) of the bioreactor (2), which and control unit (7) for controlling the substrate pump (5) as a function of a CO 2 control signal, in an exhaust air line (12) of the reactor interior (3) via an exhaust gas analysis (7) connected to the control and regulating unit (7) 13) a CO 2 output signal is determined, characterized in that CO 2 is fed to the reactor interior (3) via a mass flow controller (6) connected to the control and regulating unit (7) and a CO 2 input signal is determined, and that the CO 2 control signal is formed from the difference between the CO 2 input signal and the CO 2 output signal. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das CO2-Steuersignal von der Steuer- und Regeleinheit (7) verarbeitet und die Substratpumpe (5) durch ein entsprechendes Pumpenansteuerungssignal angesteuert wird.Procedure according to Claim 5 , characterized in that the CO 2 control signal is processed by the control and regulating unit (7) and the substrate pump (5) is controlled by a corresponding pump control signal. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das CO2-Steuersignal von der Steuer- und Regeleinheit (7) verarbeitet und mit einem Sollwert verglichen wird, und dass Abweichungen des Istwertes von dem Sollwert durch entsprechend korrigierte Pumpenansteuerungssignale ausgeglichen werden.Procedure according to Claim 5 or 6 , characterized in that the CO 2 control signal is processed by the control and regulating unit (7) and compared with a target value, and that deviations of the actual value from the target value are compensated for by correspondingly corrected pump control signals. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratpumpe (5) eine vorbestimmte Menge einer Substrat- oder Feedlösung aus dem Substratbehälter (4) dem Reaktorinnenraum (3) zuführt.Procedure according to one of the Claims 5 to 7 , characterized in that the substrate pump (5) supplies a predetermined amount of a substrate or feed solution from the substrate container (4) to the reactor interior (3). Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratpumpe (5) dem Reaktorinnenraum (3) Glukose aus dem Substratbehälter (4) zuführt.Procedure according to one of the Claims 5 to 8th , characterized in that the substrate pump (5) feeds the reactor interior (3) glucose from the substrate container (4). Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass dem Reaktorinnenraum (3) über einen mit der Steuer- und Regeleinheit (7) in Verbindung stehenden Massendurchflussregler (6) Sauerstoff (O2) zugeführt wird.Procedure according to one of the Claims 5 to 9 , characterized in that the reactor interior (3) is supplied with oxygen (O 2 ) via a mass flow controller (6) connected to the control and regulating unit (7).
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP0345588A1 (en) * 1988-06-03 1989-12-13 Gesellschaft für Biotechnologische Forschung mbH (GBF) Method and device for monitoring a biological growth process
DE4037325C2 (en) * 1990-11-23 1993-08-19 Karl Mueller U. Co Kg, 7000 Stuttgart, De

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