Bioreaktor

B e s c h r e i b u n g

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Kulti¬ vieren von ruhenden Zellen in einem Bioreaktor.

Stand der Technik

Zur Produktion von Wirkstoffen werden heute zunehmend humane, tierische, pflanzliche sowie hybride Zellen im technischen Maßstab kultiviert. Dabei werden zwei grund¬ sätzlich verschiedene Konzepte verfolgt:

Beim "homogeneneh Systemen" findet der klassische Rühr¬ reaktor Anwendung. Die Zellen befinden sich in Suspension; Nährmedium und Sauerstoff werden durch den ^■ Rührvorgang allen Zellen gleichermaßen zur Verfügung gestellt. Die Stoffwechselprodukte und insbesondere das eigentliche Produkt werden durch geeignete Vorrichtungen möglichst kontinuierlich entfernt. Hierzu wird beispielsweise auf die EP-A 0 172 478 verwiesen.

"Heterogene System" findet ihre Anwendung bei den soge¬ nannten "anchorage dependent cells", also jenen Zellen, die nur im Verband oder auf Oberflächen fixiert wachsen.

Die eingangs genannten Zellen zeigen eine hohe Empfind¬ lichkeit gegen

- mechanische Beanspruchung, insbesondere Scherung

- Änderung der Umgebungsbedingungen (pH, Temperatur, 0 ₂ ~Partialdruck)

Außerdem muß die Versorgung mit Nährstoffen und die Ent¬ sorgung der Stoffwechselprodukte an jeder Stelle des Bio¬ reaktors gewährleistet sein. Zu diesem Zweck strömt soge¬ nanntes Medium durch den Reaktor, das am Eingang die Nähr¬ stoffe, am Ausgang die Stoff echselprodukte enthält.

Schließlich wird das Verfahren umso wirtschaftlicher, je höher die im Bioreaktor erreichten Zellkonzentrationen sind. Diese Forderungen versucht man in der Praxis auf verschiedenartige Weise zu erreichen.

Ein Weg ist die Fixierung der Zellen auf partikelförmige - in der Regel poröse - Träger, die dann vom Medium im Wir¬ belbett angeströmt werden. Neben der hohen Scherung, die die Zellen dabei erleiden, ergibt sich als weiterer Nach¬ teil, daß die Umgebungsbedingungen und die NährstoffVer¬ sorgung der Zellen im unteren Teil des Wirbelbettes anders ist als im oberen. Das analoge Problem findet man heute bei den diversen Membranreaktoren.

Rohr- und Hohlfaser-Membran-Reaktoren benötigen aus wirt¬ schaftlichen Gründen eine Mindestlänge und haben damit Konzentrations-, pH- und Temperaturgradienten entlang der Membran, gleichgültig ob die Zellen dabei im Inneren, im Äußeren oder im Ringspalt einer Rohr-bzw. Hohlfaser-Mem- bran wachsen (EP-A 0 123 326, 0 220 650) .

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Dies trifft gleichermaßen für die in den Europäischen Patentveröffentlichungen 0 155 237, 0 112 155 und 0 180 165 beschriebenen Plattenmodule zu. Wiederum ergeben sich die oben beschriebenen Gradienten mit dem Nachteil, daß an der Seite des Mediumeintritts die Zellen besser versorgt sind und damit besser wachsen und produzieren als auf der Austrittsseite.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Kultivieren von ruhenden Zellen in einem Bioreaktor derart weiterzubilden, daß insbesondere die Zellen an jeder Stelle des Reaktors gleichermaßen versorgt wie ent¬ sorgt werden und an jeder Stelle die gleiche Temperatur, der gleiche pH und die gleichen Gaspartialdrücke herr¬ schen.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist mit ihren Weiterbildungen in den Patentansprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß wachsen die Zellen auf mit einem biokompa¬ tiblen Material beschichteten partikelformigen Trägern mit Durchmessern zwischen 0, 1 mm und 1 mm auf, die in einem 1 mm bis 10 mm dicken Gitter fixiert sind, das von beiden Seiten mit einer "porösen Membran verschlossen ist und daß diese Membranen Porendurchmesser haben, die alle Nährst¬ offe und von den Zellen freigegebenen Produkte hindurch¬ lassen, Zellen und infizierendes Material jedoch zurück¬ halten.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben:

Gemäß Anspruch 2 wird das flächige Gebilde zu einem Wik- kelmodul geformt. Da damit das flächige System in mehreren Schichten aufgewickelt ist, bleiben die Gesamtabmessungen des Systems praktikabel sind.

Im Anspruch 3 ist gekennzeichnet, daß das mit Nährstoffen und Sauerstoff angereicherte Medium senkrecht zu einer Membran die fixierten Zellen auf kürzestem Wege durch¬ strömt und die mit den Produkten und C0 ₂ beladene Flüssig-

keit auf kürzestem Weg senkrecht zu einer zweiten Membran den Bioreaktor verläßt.

Im Anspruch 4 ist angegeben, daß das mit Nährstoffen und Sauerstoff angereicherte Medium über einen mit vielen Bohrungen versehenen Wickelmodul gut verteilt über eine Membran auf kürzestem Weg die fixierten Zellen durch¬ strömt, und die mit den Produkten und C0-. beladene Flüs¬ sigkeit über eine zweite Membran den Wickelmodul wieder verläßt.

Durch die im Anspruch 5 angegebenen Abstandhalter, die wenigstens ein zwischen den Schichten vorgesehenes wei¬ teres Stützgewebe bildet, wird eine über die ganze Fläche gleichmäßige Flüssigkeitszu- und abfuhr erreicht.

Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn - wie im Anspruch 6 gekennzeichnet - zwei Stützgewebe als Abstandshalter vor¬ gesehen sind.

Die im Anspruch 7 angegebene Weiterbildung, gemäß der das Stützgerüst einen Eintritts- und einen Austrittsstutzen zur Befüllung bzw. Entleerung mit partikelformigen Trägern hat, wird ein kompaktes Modul geschaffen, das, ohne daß es zerlegt werden müßte, regenerierbar ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbei- spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrie¬ ben, in der zeigen:

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen

Vorrichtung, und Fig. 2 eine erfindungsgemäß aufgewickelte Vorrichtung.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Fig. 1 zeigt, daß die Zellen auf der Oberfläche partikel- förmiger Träger (1) aufwachsen, die in einem Gitter (2) fixiert sind. Das nur wenige Millimeter dicke Gitter wird von beiden Seiten mit je einer porösen Membran (3) und (4) verschlossen. Das mit Sauerstoff und Nährstoffen angerei¬ cherte Medium strömt senkrecht durch die Membran (3) , anschließend auf kürzestem Weg durch das Gitter und damit an den dort auf den partikelformigen Trägern befindlichen Zellen vorbei. Dabei gibt es Sauerstoff und Nährstoffe an die Zellen ab, nimmt von dort C0 ₂ , Stoffwechselprodukte und das eigentliche Produkt auf und verläßt über die Me¬ mbran (4) den Reaktor.

Die Poren der beiden Membranen (3) und (4) sind so zu wählen, daß sie die zu- bzw. abzuführenden Stoffe nicht zurückhalten. In der Regel werden die Membranen vom Typ "Mikrofiltrationsmembran" (Porendurchmesser 0,1 bis -0,4 um) sein. Lediglich bei Verwendung proteinfreier (soge¬ nannter serumfreier) Medien kann die Membran (3) eine Ultrafiltrationsmembran (Trenngrenze ca. 10000 bis 100000 Dalton) sein.

Die Oberfläche der Partikel, auf denen die Zellen aufwach¬ sen, müssen biokompatibel sein, d.h. sie müssen möglichst wenig mit den Zellen wechselwirken. Das erreicht man durch geeignete Beschichtung ^' (z.B. mit Albumin). Die Partikeln sollten Durchmesser zwischen 0,1 und 1 mm haben.

Sollen große Mengen an Zellen kultiviert werden, bedeutet das bei dieser Anordnung sehr große Flächen. Die Gesamtab¬ messung der Vorrichtung kann dennoch praktikabel gehalten

werden, indem man das flächige Gebilde aufwickelt.

Fig. 2 zeigt einen entsprechenden "Wickelmodul". Dieser Modul weist ein bis zwei weitere Stützgerüste (5) und (6) als Abstandshalter und eine flüssigkeitsdichte Folie (11) . Dieser Wickelmodul hat mehrere Anschlüsse: Einen Füll¬ stutzen (8) zum Stützgerüst (2) , über den die Befüllung des Moduls mit den partikelformigen Trägern (1) erfolgt, einen Entleerungsstutzen (7) , über den abgestorbene Zellen ausgespült werden können. Das mit Nährstoffen und Sauer¬ stoff angereicherte Medium tritt über den Eintrittsstutzen (10) in den Modul, der aus einem Rohr mit vielen Bohrun¬ gen besteht, damit das Medium an allen Stellen gleichmäßig die Membran (3) durchströmt. Die mit Produkt, C0 ₂ und Stoffwechselprodukten beladene Flüssigkeit verläßt - nach Durchtritt durch die Membran (4) - über den Stutzen (9) den Modul.

Damit auf den den Zellen zugewandten Seiten der Membranen keine Proteine adsorbieren, sind diese mit pyrolytischem Kohlenstoff beschichtet. Bei Mikrofiltrationsmembranen empfiehlt sich diese Beschichtung auf beiden Seiten und in den Poren.

Gewerbliche Anwendbarkeit

Die erfindungsgmäße Vorrichtung findet weite Abnwendungen auf allen Gebieten der Biotechnologie.