DE102018210370A1 - Einweg-Bioreaktor und dessen Verwendung - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Einweg-Bioreaktoren mit mindestens einem fest integrierten Einweg-ATR-Element. Diese Bioreaktoren sind zur Kultivierung von Mikroorganismen oder Zellkulturen oder für die zellfreie Genexpression geeignet, wobei die Untersuchung von Probenflüssigkeiten im Bioreaktor mittels Infrarotspektroskopie erfolgt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft Einweg-Bioreaktoren mit mindestens einem fest integrierten Einweg-ATR-Element. Diese Bioreaktoren sind zur Kultivierung von Mikroorganismen oder Zellkulturen oder für die zellfreie Genexpression geeignet, wobei die Untersuchung von Probenflüssigkeiten im Bioreaktor mittels Infrarotspektroskopie erfolgt.
  • Bioreaktoren sind Behälter in denen verschiedene Organismen unter kontrollierten und überwachten Bedingungen kultiviert werden. Es werden zum Beispiel Säugetierzellen für die Medikamentenproduktion kultiviert. Der Behälter kann aus Materialien wie Kunststoff, Glas oder Metall gefertigt sein.
  • Wenn Bioreaktoren mehrmals verwendet werden, müssen diese aufwendig gereinigt werden um steril zu sein. Rückstände im Bioreaktor führen zu einer Verfälschung und Kontamination der weiteren biotechnologischen Prozesse. Die Verwendung von Einwegbioreaktoren ist daher prozesssicherer und weniger fehlerbehaftet.
  • Für das Monitoring des biotechnologischen Prozesses kann die Probe online (in-situ) gemessen werden. Für viele Messparameter muss jedoch eine Probe aus dem Bioreaktor entnommen werden, um dann mit einem anderen Messgerät außerhalb des Bioreaktors analysiert zu werden. Damit geht einher, dass keine durchgehende Messung stattfindet, sondern eine Messung nur zu den Probenentnahmezeitpunkten möglich ist. Bei Bioreaktoren mit einem sehr geringen Volumen, kann die Probenentnahme zu einer merklichen Verringerung des Mediums führen. Die Probenentnahme kann außerdem zu Kontaminationen führen.
  • Die Infrarotspektroskopie ist eine etablierte analytische Methode zur qualitativen und quantitativen Untersuchung von Analyten, wobei ein Spektrum erhalten wird, das charakteristisch für die chemische Zusammensetzung der Probe ist.
  • Es gibt verschiedene Messprinzipien in der Infrarotspektroskopie. Die ATR-Infrarotspektroskopie gehört hier zu den wichtigsten Vertretern. Diese basiert auf dem Prinzip der abgeschwächten Totalreflektion (ATR). Für die Messung wird auf das ATR-Element der Analyt aufgetragen und das Licht von der Unterseite in das ATR-Element eingekoppelt. An der Grenzfläche zwischen ATR-Element und dem zu untersuchenden Analyten wechselwirkt ein Teil des Lichts mit der Probe und wird von dieser absorbiert.
  • In US9267100B2 sind zusammengefügte Bauteile mit Sensoren für Bioreaktoren bekannt. Diese Sensoren werden nicht direkt in den Bioreaktor integriert, sondern in eine zusammengefügte Einheit. Diese zusammengefügte Einheit wird ihrerseits in den Bioreaktor eingeklebt.
  • Im Stand der Technik sind weiterhin Einweganschlüsse für Bioreaktoren aus EP 3 199 616 A1 und in EP 3 246 393 A1 bekannt. Die Vorrichtung in EP 3 246 393 A1 zeichnet sich durch wiederverschließbare Anschlüsse aus. Neben verschiedenen Anschlüssen wird auch die Verwendung von ATR-Elementen aus Ge, ZnSe, Chalkogenide, Glas oder anderen Materialien beschrieben. Allerdings handelt es sich dabei um einen Anschluss und nicht um ein fest integriertes Einweg-ATR-Element.
  • In US 2010/0035337 A1 ist ein Bioreaktor mit Fenster beschrieben. Dieses Fenster zeichnet sich dadurch aus, dass es eine photokatalytische Beschichtung hat. Es wird beschrieben, dass dieses Fenster auch aus einem ATR Kristall bestehen kann.
  • In der Publikation von Glindkamp et al. (Sensors in disposable bioreactors status and trends, Adv Biochem Eng Biotechnol. 2009) und Busse et al. (Sensors for disposable bioreactors, Eng. Life Sci. 2017, 17, 940-952) wird über verschiedene Sensoren für Bioreaktoren berichtet. Die Integration von ATR-Elementen in Einwegbioreaktoren wird als schwierig angesehen, da die Kosten der ATR-Elemente dafür deutlich zu hoch sind.
  • Ausgehend hiervon war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Bioreaktor für die einmalige Verwendung bereitzustellen, bei dem die im Stand der Technik auftretenden Nachteile beseitigt werden und eine einmalige kontaminationsfreie Nutzung bei gleichzeitiger kontinuierlicher Bestimmung von Messparametern erlaubt.
  • Diese Aufgabe wird durch den Bioreaktor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. In Anspruch 14 werden erfindungsgemäße Verwendungen angegeben. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhaft Weiterbildungen auf.
  • Erfindungsgemäß wird ein Bioreaktor zur einmaligen Verwendung bereitgestellt, der ein Reaktorgehäuse sowie ein Silicium enthaltendes und zur einmaligen Verwendung vorgesehenes ATR-Element aufweist, das unlösbar mit dem Reaktorgehäuse verbunden ist und mit einem Infrarotspektrometer koppelbar ist.
  • Das Infrarotlicht wird von der Quelle über das Einweg-ATR-Element zum Detektor geführt. Mehrere parallele Mikroprismen ermöglichen eine effiziente Kopplung des Lichts. Durch die bevorzugte Verwendung von parallelen Mikroprismen ist die Anforderung an die Positioniergenauigkeit der Optik gering.
  • Durch das fest integrierte Einweg-ATR-Element können nun Parameter wie Glucose, Lactat und Ammonium online und kontinuierlich gemessen werden. Die Entnahme einer Probe aus dem Bioreaktor entfällt und eine Kontamination kann ausgeschlossen werden.
  • Vorzugsweise weist das ATR-Element ein Einfach-Reflexionselement auf oder besteht hieraus, wobei das Einfach-Reflexionselement bevorzugt ein oder mehrere Mikroprismen aufweist oder aus diesen besteht.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das ATR-Element ein Mehrfach-Reflexionselement auf oder besteht aus diesen.
  • Vorzugsweise ist das ATR-Element ein ATR-Infrarotmikroskopie-Element.
  • Das ATR-Element besteht vorzugsweise aus Silicium oder aus einem Siliciumsubstrat mit einer Beschichtung. Diese Beschichtung kann entweder eine Dünnschicht, z. B. aus Diamant, sein oder eine die Adhäsion von Zellen verhindernde Beschichtung darstellen.
  • Das ATR-Element weist vorzugsweise eine runde oder eckige Form auf. Es sind aber auch beliebige andere Formen möglich.
  • Das ATR-Element ist vorzugsweise mit den Seitenflächen und/oder der Unterseite des Bioreaktors gasdicht verbunden.
  • Das Infrarotspektrometer imitiert vorzugsweise Licht im Wellenlängenbereich von 2 bis 20 µm.
  • Es ist weiterhin bevorzugt, dass das Reaktorgehäuse zur Verhinderung von Kontaminationen gasdicht ist. Dabei ist das Reaktorgehäuse in einer bevorzugten Ausführungsform, das nicht formstabiler Behälter ausgebildet.
  • Es ist bevorzugt, dass das Reaktorgehäuse aus einem biokompatiblen Polymer, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyetheretherketone (PEEK), Polycarbonate (PC), Polyethersulfone (PES), Polysulfone (PS), Polyvinylchloride (PVC) und Kombinationen hiervon, gebildet ist.
  • Es ist bevorzugt, dass der Bioreaktor Sensoren aufweist, insbesondere zur Bestimmung des pH-Wertes oder des Sauerstoffgehaltes im Bioreaktor.
  • Verwendung findet der erfindungsgemäße Bioreaktor, sowie zuvor beschrieben wurde, zur Kultivierung von Mikroorganismen oder Zellkulturen oder für die zellfreie Genexpression.
  • Anhand der nachfolgenden Figuren soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier gezeigten spezifischen Ausführungsformen einschränken zu wollen.
    • 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Einweg-Bioreaktor.
    • 2 zeigt eine Detailansicht des erfindungsgemäßen Einweg-Bioreaktors mit integriertem ATR-Element.
  • In der 1 ist der Einwegbioreaktor 1 mit dem fest integrierten Einweg-ATR-Element 2 zu sehen. Das Einweg-ATR-Element ist in der Zeichnung beispielhaft an der Seite fest integriert.
  • In der 2 ist die Detailansicht des Einwegbioreaktors mit fest integriertem Einweg-ATR-Element und der Lichtweg im fest integrierten Einweg-ATR-Element zu sehen. Die Infrarotstrahlung 3 wird durch die Mikroprismen 5 ein- und ausgekoppelt. An der Grenzfläche zwischen der Probe im Einwegbioreaktor 1 und dem Einweg-ATR-Element 2 findet die abgeschwächte Totalreflexion statt.
  • Bezugszeichenliste
    • • Einwegbioreaktor
    • • Einweg-ATR-Element
    • • Infrarotes Licht
    • • Abgeschwächte Totalreflexion
    • • Mikroprismen
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • US 9267100 B2 [0007]
    • EP 3199616 A1 [0008]
    • EP 3246393 A1 [0008]
    • US 2010/0035337 A1 [0009]

Claims (14)

  1. Bioreaktor zur einmaligen Verwendung enthaltend ein Reaktorgehäuse (1) sowie ein Silicium enthaltendes und zur einmaligen Verwendung vorgesehenes ATR-Element (2), das unlösbar mit dem Reaktorgehäuse (1) verbunden ist und mit einem Infrarotspektrometer koppelbar ist.
  2. Bioreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das ATR-Element (2) ein Einfachreflexionselement aufweist oder hieraus besteht, wobei das Einfachreflexionselement bevorzugt ein oder mehrere Mikroprismen (5) aufweist oder aus diesen besteht.
  3. Bioreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das ATR-Element (2) ein Mehrfachreflexionselement aufweist oder aus diesem besteht.
  4. Bioreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das ATR-Element (2) ein ATR-Infrarotmikroskopie-Element ist.
  5. Bioreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das ATR-Element (2) aus Silicium besteht.
  6. Bioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das ATR-Element (2) aus einem Siliciumsubstrat mit einer Beschichtung, insbesondere eine Dünnschicht, z.B. aus Diamant, oder eine die Adhäsion von Zellen verhindernde Beschichtung.
  7. Bioreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das ATR-Element (2) eine runde oder eckige Form aufweist.
  8. Bioreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das ATR-Element (2) mit den Seitenflächen und/oder der Unterseite des Bioreaktors (1) gasdicht verbunden ist.
  9. Bioreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Infrarotspektrometer Licht im Wellenlängenbereich von 2 bis 20 µm emittiert.
  10. Bioreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktorgehäuse (1) zur Verhinderung von Kontamination gasdicht ist.
  11. Bioreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktorgehäuse (1) als nicht formstabiler Behälter ausgebildet ist.
  12. Bioreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktorgehäuse (1) aus einem Polymer, insbesondere Polyetheretherketone (PEEK), Polycarbonate (PC), Polyethersulfone (PES), Polysulfone (PS), Polyvinylchloride (PVC) und Kombinationen hiervon, ausgewählt ist.
  13. Bioreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bioreaktor Sensoren aufweist, insbesondere zur Bestimmung des pH-Wertes oder Sauerstoffgehalts im Bioreaktor, wobei die Sensoren bevorzugt gasdicht mit dem Reaktorgehäuse (1) verbunden sind.
  14. Verwendung des Bioreaktors nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Kultivierung von Mikroorganismen oder Zellkulturen oder für die zellfreie Genexpression.
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