Die Erfindung betrifft einen Bioreaktor, die Verwendung des Bioreaktors zur Kultivierung von Mikroorganismen oder Zellkulturen sowie ein Verfahren zur Kultivierung von Mikroorganismen oder Zellkulturen.

Bei der Kultivierung von Mikroorganismen und Zellkulturen, insbesondere von tierischen, pflanzlichen und humanen Zellen, kommen verschiedene Typen von Bioreaktoren zum Einsatz. Neben dem gerührten Bioreaktor hat sich vor allem der Air-Lift-Bioreaktor etablieren können. In einem Air-Lift-Bioreaktor wird Gas wie zum Beispiel Luft in einen aufwärts gerichteten Teil des Bioreaktors, in der Fachwelt auch als Riser bekannt, eingeleitet. Vorzugsweise findet eine feinblasige Begasung statt. Der Riser steht an dessen oberen und unteren Ende mit dem oberen und unteren Ende eines weiteren, aufwärts gerichteten Teils des Bioreaktors in Verbindung, in der Fachwelt als Downcomer bekannt. Eine weit verbreitete Variante des im Wesentlichen zylindrischen Air-Lift-Bioreaktors beinhaltet ein zentral angeordnetes zylindrisches Leitrohr, welches den Air-Lift-Bioreaktor in einen Auftriebsteil (Riser) innerhalb des Leitrohres und einen Abtriebsteil (Downcomer) im Ringraum zwischen dem Leitrohr und der Behälteraußenwand des Air-Lift- Bioreaktors teilt. Genauso gut kann sich der Auftriebsteil im Ringraum zwischen dem Leitrohr und der Behälteraußenwand und der Abtriebsteil innerhalb des Leitrohrs befinden. Die Zufuhr von beispielsweise mit Sauerstoff angereichertem Gas am unteren Ende des Risers vermindert die mittlere Dichte der Suspensionskultur im Riser, was zu einer aufwärts gerichteten Flüssigkeitsströ- mung im Riser führt, welche in der Folge den Flüssigkeitsinhalt des Downcomers ersetzt, der wiederum zum unteren Ende des Risers strömt. Auf diese Art und Weise wird eine Flüssigkeitszirkulation erzeugt, welche die Suspensionskultur ausreichend vermischt und die Zellen in Schwebe, d.h. in freier Suspension hält. Bei Zellen mit Sauerstoffbedarf z.B. löst sich gasförmiger Sauerstoff im Nährmedium und wird von den in der Suspensionskultur vorhandenen Zellen zu Kohlendioxid veratmet. Der Vorteil eines solchermaßen „gerührten" Bioreaktors liegt darin, dass bei ausreichender Versorgung der Zellen mit im Nährmedium gelöstem Sauerstoff und ausreichender Entsorgung des bei der Veratmung entstehenden Kohlendioxids keine bewegten Teile wie ein mechanischer Rührer notwendig sind. Die nach dem Stand der Technik bekannten Air-Lift-Bioreaktoren sind in schlanker Bauform ausgeführt, d.h. das Verhältnis H/D von Höhe H zu Durchmesser D liegt bei den in der Zellkultur bekannten Air-Lift-Bioreaktoren zwischen 6 und 14:

[1] Varley J., Birch J., Reactor design for large scale Suspension animal cell culture, Cytotechnology, 29, (1999): 177-205. [2] Petrossian A., Cortessis G.P., Large-scale production of monoclonal antibodies in defined serum- free media in airlift bioreactors, BioTechniques, 8, (1990): 414-422.

[3] Hesse F., Ebel M., Konisch N., Sterlinski R., Kessler W., and Wagner R., Comparison of a production process in a membrane-aerated stirred tank and up to 1000-L airlift bioreactors using BHK-21 cells and chemically defined protein-free medium, Biotechnol. Prog., 19, 3 (2003): 833-843. [4] Chisti, Y., Animal-cell damage in sparged bioreactors, Trends Biotechnol., 18, 10 (2000): 420- 432.

Im Produktionsmaßstab führt diese schlanke Bauform dazu, dass die Air-Lift-Bioreaktoren bei üblichen Arbeitsvolumina von mehreren Hundert Litern bis zu mehreren Kubikmetern Bauhöhen von mehreren Metern erreichen. Zum Beispiel entsprechen 12 m ³ Arbeitsvolumen einer Bauhöhe von 14,4 m bei einen H/D-Verhältnis von 14. Solche Air-Lift-Bioreaktoren müssen somit in Räumen mit großen Deckenhöhen oder mit Durchbrüchen über mehrere Stockwerke aufgestellt werden. Dies erfordert eine aufwändige Stahlgerüst-Konstruktion. Darüber hinaus müssen die Air-Lift- Bioreaktoren in situ dampfsterilisiert werden und können nicht mehr als Ganzes mitsamt der für die Zellkultur notwendigen Peripherie in einem Autoklaven dampfsterilisiert werden. Konventionelle Bioreaktoren mit gängigen H/D-Verhältnissen um 2 können hingegen in Autoklaven transportiert und dort dampfsterilisiert werden.

Generell sind hohe Reaktoren schwer zu handhaben.

Es stellt sich damit ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe, Bioreaktoren bereitzustellen, die auch bei Arbeitsvolumina von mehreren hundert Litern bis zu mehreren Kubikmetern Baugrößen einhalten, die üblichen Raumhöhen entsprechen, sodass Umbaumaßnahmen zur Installation nicht erforderlich sind. Dabei sollen die geforderten Bioreaktoren wie die nach dem Stand der Technik bekannten Air-Lift-Bioreaktoren über eine ausreichende Versorgung von Zellen mit Gas, z.B.

Sauerstoff und eine ausreichende Entsorgung von Gas, z.B. des bei der Veratmung entstehenden Kohlendioxids verfügen, ohne dass bewegte Teile wie ein mechanischer Rührer erforderlich sind.

Überraschenderweise wurde gefunden, dass Air-Lift-Bioreaktoren in der Zellkultur eingesetzt werden können, selbst wenn das Verhältnis von Höhe zu Durchmesser deutlich unter 6 liegt.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist damit ein Air-Lift-Bioreaktor mit einem Verhältnis H/D von Höhe H zu Durchmesser D, das kleiner als 6 ist.

Bevorzugt liegt das Verhältnis H/D zwischen 1 und 6, besonders bevorzugt zwischen 2 und 6. Unter Air-Lift-Bioreaktor werden Reaktoren verstanden, die über einen Riser, einen Downcomer und eine Begasungseinheit verfügen. Riser und Downcomer werden bevorzugt über ein zylinderförmiges Gefäß, in das ein zylinderförmiges Rohr angeordnet ist, gebildet (siehe z.B. Figur 1). In einer bevorzugten Ausfuhrungsform unterscheiden sich die Querschnittsflächen des Risers und des Downcomers um maximal 10%, besonders bevorzugt sind sie gleich groß (siehe z.B. Figur 2).

Das zylinderförmige Gefäß und das zylinderförmige Rohr weisen bevorzugt dieselbe Querschnittsgeometrie auf. Sie sind bevorzugt elliptisch oder rund ausgeführt.

Die Begasungseinheit wird entweder innerhalb des zylinderförmigen Leitrohres angeordnet oder zwischen Außenwand des Leitrohres und Innenwand des Gefäßes. Im ersten Fall liegt der Riser innerhalb des Leitrohres und der Downcomer zwischen Außenwand des Leitrohres und Innenwand des Gefäßes; im zweiten Fall liegt der Downcomer innerhalb des Leitrohres und der Riser zwischen Außenwand des Leitrohres und Innenwand des Gefäßes.

Neben der Versorgung der Zellen oder Organismen mit Gas, z.B. Sauerstoff, und dem Abtransport von gasförmigen Stoffwechselprodukten wie z.B. Kohlendioxid sorgt die Begasungseinheit für eine Umlaufströmung zwischen Riser und Downcomer.

Bevorzugt wird eine Begasungseinheit eingesetzt, die Blasen mit einem Durchmesser von weniger als 2 mm erzeugt. Li einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Begasungseinheit als Mikroblasenbegaser ausgeführt. Unter Mikroblasenbegaser werden Körper verstanden, die Gas, insbesondere Sauerstoff in Form von feinen Bläschen in eine Flüssigkeit einbringen können. Unter „feinen Gasblasen" werden Gasblasen verstanden, die in dem eingesetzten Kulturmedium eine geringe Neigung zur Koaleszenz aufweisen. Als Mikroblasenbegaser eignen sich beispielsweise spezielle Sinterkörper aus metallischen oder keramischen Werkstoffen, Filterplatten oder laserperforierten Platten, die Poren oder Löcher mit einem Durchmesser von in der Regel kleiner als 100 μm, bevorzugt 15 μm, aufweisen. Die Begasungseinheit ist bevorzugt als hohler Körper, z.B. als Rohr ausgeführt, durch den Gas strömen kann. Bei kleinen Gasleerrohrgeschwindigkeiten von weniger als 0,5 m h ^"1 werden sehr feine Gasblasen erzeugt, die in den in der Zellkultur normalerweise eingesetzten Medien eine geringe Neigung zur Koaleszenz aufweisen.

Als Mikroblasenbegaser eignen sich weiterhin Membranschläuche. Unter Membranschläuchen werden flexible rohrförmige Gebilde verstanden, die für Gase wie Sauerstoff und Kohlendioxid durchlässig sind. Als Beispiel seien Membranhohlfäden aus mikroporösem Polypropylen genannt, wie sie beispielhaft in Chem.-Ing.-Tech. 62 (1990), Nr. 5, S. 393-395 von H. Büntemeyer et al. beschrieben werden. Die Begasungseinheit ist bevorzugt nahe der Unterkante des Leitrohres angeordnet. Die Begasungseinheit ist bevorzugt ringförmig oder spiralförmig ausgeführt, damit sie den Strömungsquerschnitt nur unwesentlich verringert. Plattenförmige Begasungseinheiten führen zu einem erhöhten Strömungswiderstand. Der hierdurch auftretende Druckverlust muss über einen höheren Gasvolumenstrom ausgeglichen werden, um die Umlaufströmung zwischen Riser und Downcomer aufrecht zu erhalten. Ein höherer Gasvolumenstrom führt jedoch zu einer erhöhten Scherrate, die für empfindliche Zellen zerstörerisch sein kann und somit vermieden werden sollte. Ferner sollte der Durchmesser der bevorzugt ring- oder spiralförmigen Begasungseinheit so passend für den Querschnitt des Risers gestaltet sein, dass der Querschnitt möglichst gleichmäßig mit Gasblasen beaufschlagt wird. Zu vermeiden wäre demnach eine Begasungseinheit, welche mit kleinem ringförmigen Durchmesser in der Mitte des Risers angeordnet ist, wobei der restliche (äußere) Riserquerschnitt unzureichend mit den entstehenden Gasblasen versorgt wird. Es ist auch denkbar, die Begasungseinheit mäanderförmig auszubilden. Weitere Formen sind denkbar.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind alle Ecken und Kanten innerhalb des erfϊndungsgemäßen Bioreaktors abgerundet, insbesondere die Kanten des Leitrohres, um Wirbel zu vermeiden, welche ebenfalls zu einem Druckverlust und zu erhöhter Scherung führen.

Der erfϊndungsgemäße Bioreaktor weist bevorzugt Mittel zur Strömungsführung auf, welche eine Schlaufenströmung zwischen Riser und Downcomer begünstigen sowie Druckverluste und Scherungen gering halten. In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Boden des Bioreaktors eine Erhöhung auf, welche die zum Reaktorboden strömende Flüssigkeit nach oben umlenkt. Bevorzugt sind die Strömungsquerschnitte im unteren und oberen Bereich des Bioreaktors, in denen die Umkehrung der Strömungsrichtung stattfindet und das Medium vom Riser in den Downcomer übergeht bzw. vom Downcomer in den Riser übergeht, gleich groß und entsprechen in ihrer Größe dem Strömungsquerschnitten des Risers und Downcomers. Als Material für das Leitrohr und das Gefäß eignen sich die in der Biotechnologie üblicherweise eingesetzten Materialien zur Kultivierung von Mikroorganismen und Zellen, wie z.B. VA-Stahl oder Glas.

Das Leitrohr wird innerhalb des Gefäßes über Stützen gehalten. Diese können am Boden des Gefäßes, am Deckel des Gefäßes oder an der Innenwand des Gefäßes angebracht sein. In einer bevorzugten Ausführungsform hängt das Leitrohr an Stützen, die am Deckel des Gefäßes angebracht sind. Über den Deckel wird der Bioreaktor üblicherweise mit Medium, Nährstoffen, Zusätzen (wie z.B. Antischaummittel und Puffer) und Gasen versorgt.

Der erfϊndungsgemäße Bioreaktor eignet sich zur Kultivierung von Mikroorganismen und Zellen (pflanzlich, tierisch, menschlich) aller Art. Die Verwendung des erfϊndungsgemäßen Bioreaktors zur Kultivierung von Mikroorganismen oder pflanzlichen, tierischen oder menschlichen Zellen ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist weiterhin ein Verfahren zur Kultivierung von Mikroorganismen oder Zellkulturen. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass in einem Bioreaktor mit einem Verhältnis H/D von Höhe H zu Durchmesser D kleiner als 6, bevorzugt zwischen 2 und 6, eine Schlaufenströmung (Umlaufströmung) zwischen einem inneren Leitrohr und dem Bereich zwischen der Außenwand des Leitrohres und der Innenwand des Bioreaktors mittels einer Begasungseinheit erzeugt wird. Die Begasungseinheit ist bevorzugt eine Einheit, die Blasen mit einem Durchmesser von weniger als 2 mm erzeugt, besonders bevorzugt ist die Einheit ein Mikroblasenbegaser.

Der Gasvolumenstrom ist dabei so gewählt, dass die Schlaufenströmung aufrechterhalten bleibt und die Zellen adäquat mit Gas, z.B. Sauerstoff, versorgt und von unerwünschtem Gas, z.B. Kohlendioxid, befreit werden, die Scherrate jedoch minimal gehalten wird, um eine Zerstörung empfindlicher Zellen zu vermeiden. Weiterhin ist der Gasvolumenstrom so gewählt, dass eine Suspendierung der Zellen gewährleistet ist, eine Sedimentation also verhindert wird. Weitere (nebenrangige) Kriterien sind eine ausreichend kurze Mischzeit und eine möglichst geringe Schaumbildung.

Die Gasblasen können zur Bildung von Schaum führen. Eine Schaumbildung ist jedoch zu vermeiden, da Zellen dazu neigen, mit dem Schaum zu florieren. In der Schaumschicht finden sie nicht adäquate Kultivierungsbedingungen vor. Der Einsatz von Antischaummitteln kann hier bekanntermaßen Abhilfe schaffen.

Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren so betrieben, dass sich die Mantelflächen oberhalb und unterhalb des Leitrohres um maximal 10% unterscheiden; bevorzugt sind sie gleich groß. Ferner unterscheidet sich in einer bevorzugten Ausfuhrungsform die Größe der Mantelfläche zwischen Leitrohr und Flüssigkeitsoberfläche und/oder die Mantelfläche zwischen Leitrohr und Boden des Bioreaktors um maximal 10 % von der Größe der Querschnittsfläche von Riser und/oder Downcomer. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Strömungsquerschnitt für die umlaufende Strömung in allen Bereichen des Reaktors nahezu gleich groß oder gleich groß, um Druckverluste zu vermindern.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Mantelfläche zwischen Leitrohr und Boden des Bioreaktors kleiner als die Querschnittsflächen von Riser und Downcomer. Hierdurch wird im Bodenbereich eine erhöhte Strömungsgeschwindigkeit erzeugt, die eine Sedimentation von Zellen oder Mikroorganismen wirkungsvoll verhindert. Bevorzugt ist die Mantelfläche zwischen Leitrohr und Boden des Bioreaktors um mindestens 5% und um maximal 50% kleiner, besonders bevorzugt um mindestens 5% kleiner und um maximal 30% kleiner.

Als Kulturen können in dem erfindungsgemäßen Verfahren Mikroorganismen sowie tierische, pflanzliche und humane Zellen eingesetzt werden.

Die Vorteile der Erfindung sind:

Bereits existierende Bioreaktoren mit einem Verhältnis von Höhe zu Durchmesser von beispielsweise 2 können in einfacher Weise auf den Betrieb als Air-Lift-Bioreaktor umgerüstet werden. Kostspielige Neuinvestitionen entfallen.

Air-Lift-Bioreaktoren mit geringem Verhältnis von Höhe zu Durchmesser weisen nicht zuletzt in Folge eines weniger ausgeprägten hydrostatischen Druckprofils eine höhere Homogenität hinsichtlich Gelöstsauerstoff, Gelöstkohlendioxid und pH-Wert auf. (So sind hohe schlanke Bioreaktoren anfällig für örtlich (von der Höhe abhängige) Kohlendioxidpartialdrücke, die sich jeweils auf den pH-Wert auswirken.) Die Wahrscheinlichkeit einer Unterversorgung der Zellen mit Gelöstsauerstoff im Downcomer des Air-Lift-Bioreaktors sinkt. Die generell bessere axiale Vermischung führt auch zu besserer Homogenität bei den Substratkonzentrationen. Häufig werden Air-Lift-Bioreaktoren mit Makroblasen begast. Die Begasung mit Mikroblasen führt zu hohen volumenspezifischen Phasengrenzflächen und ermöglicht so eine deutliche Reduzierung des zum Antrieb der Flüssigkeitsströmung benötigten Gasvolumenstroms. Damit einher geht eine deutliche Reduzierung der Scherbeanspruchung von Zellen gegenüber der grobblasigen Begasung.

Die bei den nach dem Stand der Technik bekannten Air-Lift-Bioreaktoren genannten Nachteile entfallen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Figuren und Beispielen näher erläutert, ohne sie jedoch hierauf zu beschränken.

Figur 1 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Bioreaktor (a) im Querschnitt von der Seite und (b) im Querschnitt von oben. Der erfindungsgemäße Bioreaktor umfasst ein zylinderförmiges Gefäß (1), in dem bevorzugt mittig zentriert ein ebenfalls zylinderförmiges Leitrohr (2) eingebracht ist. Im vorliegenden Beispiel ist in dem Leitrohr nahe der Unterkante des Leitrohres eine ringförmige Begasungseinheit (3) eingebracht. Das Verhältnis H/D von Höhe H zu Durchmesser D beträgt zwischen 1 und 6, bevorzugt zwischen 2 und 6. Figur 2 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen Bioreaktors im Querschnitt von oben, bei dem die Querschnittsfläche A innerhalb des Leitrohres und die Fläche B zwischen der Außenseite des Leitrohres (2) und der Innenwand des Gefäßes (1) gleich groß sind, d.h. Riser und Downcomer verfügen bevorzugt über dieselbe Größe des Strömungsquerschnitts.

Figur 3 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen Bioreaktors im Querschnitt von der Seite. Das Gefäß (1) verfugt bevorzugt über Umlenkeinrichtungen (9) am Reaktorboden. Das Leitrohr (2) ist an Stützen (5) am Deckel (4) des Bioreaktors befestigt. Es verfugt über abgerundete Kanten, um Druckverluste infolge von Wirbel und Scherwirkungen zu vermeiden. Die bevorzugt ringförmige Begasungseinheit ist im vorliegenden Beispiel der Figur 3 innerhalb des Leitrohres nahe der Unterkante des Leitrohres angebracht, so dass sich der Riser innerhalb des Leitrohres und der Downcomer zwischen Leitrohr und Gefäß befindet. Weiterhin sind am Deckel des Reaktors Durchführungen für die Gasversorgung (6) sowie Zufuhr von Medium und/oder Puffer und/oder Zusätzen (wie z.B. Antischaummittel) angebracht (7). Üblicherweise verfügt der Bioreaktor über Mittel zur Beheizung und/oder Kühlung sowie Sensoren zur Messung von z.B. Temperatur, pH- Wert, Gelöstsauerstoffkonzentration, Gelöstkohlendioxidkonzentration etc., die im vorliegenden Fall nicht eingezeichnet sind. Bevorzugt liegt der Flüssigkeitslevel (8) im Reaktor so hoch, dass die Strömungsquerschnitte in den Umlenkbereichen und im Riser und Downcomer gleich groß sind.

Figur 4 zeigt eine fotografische Aufnahme einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bioreaktors. Der gezeigte Bioreaktor umfasst einen Glasbehälter mit Doppelmantel, einen Deckel, ein Bodenventil und ein Leitrohr, welches am Deckel befestigt werden kann.

Figur 5 zeigt schematisch das Prinzip der Flächenäquivalenz: die Querschnittsflächen von Riser und Downcomer sowie die Mantelflächen oberhalb und unterhalb des Leitrohres sind bevorzugt gleich groß.

Figur 6 zeigt beispielhaft eine Begasungseinheit für den erfindungsgemäßen Bioreaktor in Form eines ringförmigen Mikrospargers.

Figur 7 zeigt in einer grafischen Darstellung die Ergebnisse der Fermentation von BHK-21 -Zellen aus Beispiel 2 in dem Bioreaktor aus Beispiel 1.

Aufgetragen sind jeweils die Lebendzelldichte X _v (linke Ordinate, Kästchen) in der Einheit [10 ⁵ Zellen mL ^"1 ] und die Vitalität V (rechte Ordinate, Kreise) in Prozent gegen die Zeit t (Abszisse) in Stunden. Der Zeitpunkt t = 0 stellt den Zeitpunkt der Inokulation dar. Weiterhin ist in der Grafik die Begasungsrate dargestellt. Zunächst wurde mit einer Begasungsrate von Fl = 15 L/h begoi) am zweiten Tag wurde die Begasungsrate auf F2 = 17,5 L/h erhöht. Fig. 8 dient der Erläuterung der Angaben in Tabelle 1.

Ξezugszeichen

1 Gefäß

2 Leitrohr

3 Begasungseinheit

4 Deckel 5 Stützen

6 Durchführung zur Gasversorgung

7 Durchführungen

8 Flüssigkeitsoberfläche

9 Mittel zur Strömungsführung: Umlenkeinrichtungen A Querschnittsfläche des Risers / Downcomers

B Querschnittsfläche des Downcomers / Risers

C Mantelfläche oberhalb des Leitrohrqs

D Mantelfläche unterhalb des Leitrohres

Beispiele

Beispiel 1: Bioreaktor

In Figur 4 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bioreaktors gezeigt. Der gezeigte Bioreaktor umfasst einen Glasbehälter mit Doppelmantel, einen Deckel, ein Bodenventil und ein Leitrohr, welches am Deckel befestigt werden kann.

Die Deckelbohrungen sind für Standardzubehör geeignet. Alle für die spätere Fermentation wichtigen Bestandteile können so angebracht werden. Das Rohr, welches als Zuluftleitung für die Begasungseinheit ((Mikro-)Sparger) dient, kann höhenverstellbar ebenfalls am Deckel befestigt werden. Der Einbau des Spargers erfolgt mittig im unteren Teil des Leitrohrs. Dadurch findet innen der Aufstieg, außen der Abstieg der Flüssigkeitsströmung statt. Das Leitrohr besteht aus einem hohlen Doppelmantelzylinder. Dieser dient nicht nur der Strömungsführung; das Leitrohr ist so ausgelegt, das der Einbau eines internen Zellabscheiders möglich ist. Dadurch verringert sich das Arbeitsvolumen von 15 L auf 10 L. Zur Temperierung des Bioreaktors im späteren Fermentationsbetrieb dient ein Doppelmantel. Das Ablassen der Flüssigkeit wird über ein Bodenventil ermöglicht. Die wesentlichen Daten sind in Tabelle 1 dargestellt.

Tabelle 1: Auslegung einer bevorzugten Ausführungsform eines erfϊndungsgemäßen Bioreaktors. Es besteht Flächenäquivalenz zwischen den Querschnittsflächen von Riser und Downcomer sowie zwischen den Mantelflächen oberhalb und unterhalb des Risers. Die Differenz zwischen maximalem und tatsächlichem Arbeitsvolumen entsteht durch das Leitrohr, dessen Abmessungen als Platzhalter für einen möglichen internen Zellabscheider dienen. Die Zeichnung zeigt den Glasbehälter mit Leitrohr.

Der Bioreaktor wurde mit einem H/D- Verhältnis von 2 ausgelegt. In der Regel sind die Bauformen von Airlift-Fermentern schlanker - also mit höheren H/D- Verhältnissen. Unter anderem um eine Sauerstofflimitierung im Downcomer zu vermeiden und H/D-Verhältnisse gängiger Reaktoren beizubehalten, fiel die Entscheidung auf H/D = 2. Der Tabelle 1 sind ebenfalls die Flächenäquivalenz zwischen den Querschnittsflächen von Riser und Downcomer sowie zwischen den Mantelflächen oberhalb und unterhalb des Risers zu entnehmen. Daraus resultiert eine gleiche Strömungsgeschwindigkeit in allen Teilen des Reaktors. Druckverluste und das Beschleunigen oder Abbremsen der Flüssigkeit können so vermieden werden. Das Prinzip der Flächenäquivalenz ist in Figur 5 schematisch dargestellt.

Für die Begasung wurde ein ringförmiger Mikrosparger (Mikroblasenbegaser) der Firma Mott, Farmington, CT, USA verwendet, der in Figur 6 gezeigt ist. In Tabelle 2 ist eine Übersicht über die Eigenschaften des Spargers gegeben.

Tabelle 2: Eigenschaften des Mikrospargers der Firma Mott, Farmington, CT, USA

Beispiel 2: Fermentation zur biologischen Charakterisierung

Es wurde eine Kultivierung einer BHK-Zelllinie in dem erfindungsgemäßen Bioreaktor aus Beispiel 1 durchgeführt. BHK-Zellen (Baby-Hamster-Kidney-Zellen) sind immortalisierte Zellen, die aus den Nieren einen Tag alter Goldhamster abgeleitet wurden. Es sind Fibroblasten, die ursprünglich adhärent gewachsen sind. Allerdings existiert eine Vielzahl verschiedener BHK- Zelllinien, die meist an Suspensionskultur adaptiert wurden.

Wegen ihrer unbegrenzten Wachstumsfähigkeit in Kultur sind etablierte BHK-Zelllinien hervorragend für die Kultivierung in Fermentern geeignet.

Bei der Zellkultivierung ergab sich eine Startzelldichte von 4*10 ⁵ Zellen mL ^"1 mit einer Vitalität von 92 %. Die Sparger-Begasungsrate von 15 L/h wurde zunächst beibehalten, nach einem Tag aber auf 17,5 L/h erhöht.

Bei der Kultivierung stieg, wie in Figur 7 zu erkennen ist, die Zelldichte sofort leicht an. Innerhalb eines Tages fand eine Verdopplung der Zelldichte statt.

In der exponentiellen Wachstumsphase ergab sich eine Wachstumsrate von μ = 0,055 h ^"1 . Diese ist, verglichen mit den Wachstumsraten in der Literatur, sehr hoch. Dort werden Werte zwischen 0,02 und 0,04 h ^"1 genannt. In der Kultivierung, aus der angeimpft worden war, wurde eine

Wachstumsrate von 0,02 h ^"1 bestimmt. Diese Abweichung lässt sich nur zum Teil mit der

Unsicherheit erklären, die durch die durchgeführten Einzelmessungen entsteht. Die hohe

Wachstumsrate zeigt, dass durch die Fermentationsbedingungen optimales Wachstum der Zellen gewährleistet werden kann. Die Batch-Fermentation war unter diesen Bedingungen erfolgreich.

Ferner lässt sich feststellen, dass die Entstehung von Schaum kein nennenswertes Problem darstellte. Der Schaum erreichte unter gelegentlicher Antifoam C-Zugabe eine maximale Höhe von ca. 30 mm. Die Konzentration des Antischaummittels betrug am Ende der Fermentation ca. 40 ppm, was eine akzeptable Menge ist. Für diese Zelllinie wurden bisher Konzentrationen bis 500 ppm untersucht und als unkritisch erachtet. Durch die erhöhte Begasungsrate entstehen also keine Schaumprobleme. Die Begasungsrate sollte hauptsächlich aus diesem Grund so niedrig wie möglich gewählt werden. Da die Ergebnisse darauf hinweisen, dass die Schaumbildung ein tolerierbares Maß nicht überschreitet, kann mit 17,5 L/h begast werden.