Sauerstoffeinsatz für beschleunigtes Zellwachstum während der Fermentation
Eine schnelle Erhöhung der Produktionsmengen durch die effiziente Vermehrung von Bakterien in Bioprozessen ist meist nur über die Aktivierung bestehender, bisher ungenutzter Kapazitäten – also eine Extensivierung der Produktion – möglich.
Eine Intensivierung aerober Fermentationsprozesse scheitert häufig daran, dass die Mikroorganismen nicht ausreichend mit gelöstem Sauerstoff versorgt werden können. Eine darüber hinaus führende Produktionssteigerung ist anlagentechnisch vielfach nur durch den Bau neuer Reaktoren realisierbar, was mit langen Planungszeiten und hohen Investitionskosten verbunden ist.
Die Reinsauerstoff-Begasung bietet hierzu eine effiziente und kostengünstige Lösung.
Vorteile der Sauerstoffbegasung während der Fermentation im Bioreaktor
Zelldichte erhöhen
Der wichtigste Vorteil liegt in der erheblich verbesserten Versorgung des aeroben Fermentationsprozesses mit gelöstem Sauerstoff. Hierdurch kann die Zelldichte erhöht werden, ohne dass es temporär zu anaeroben Zuständen und somit zu einer Hemmung des biologischen Prozesses kommt.
Besonders in der Phase des exponentiellen Wachstums, der sogenannten Log-Phase, in der die Vermehrung der Bakterien ihr Maximum erreicht, ist die Erhöhung des Sauerstoffpartialdrucks besonders effektiv.
Bei der Kultivierung sehr hoher Zelldichten im üblichen Rührkesselfermenter ist man mit den Problemen der Wachstumshemmung durch zu hohe Ausgangskonzentrationen des Substrats, dem Verbrauch essentieller Nährmedium-Komponenten im Laufe der Kultivierung, der Bildung hemmender Stoffwechsel-Nebenprodukte sowie der begrenzten Kapazität der Sauerstoffversorgung konfrontiert.
Der steigende Sauerstoffbedarf einer wachsenden Hochzelldichte-Kultur zur Herstellung von Waschmittel-Proteasen und anderen Produkten kann durch verschiedene Strategien gedeckt werden. Diese sind insbesondere das Erhöhen der Rührgeschwindigkeit und der Belüftungsrate, die Zufuhr von mit Sauerstoff angereicherter Luft, die Belüftung mit reinem Sauerstoff sowie die Kultivierung bei niedrigen Temperaturen und erhöhtem Druck.
Mit Reinsauerstoff die Mischleistung reduzieren
Aufgrund der guten Löslichkeit von reinem Sauerstoff kann bei gleichbleibender Gelöstsauerstoffkonzentration die Mischleistung häufig gedrosselt werden. Das kann zum einen zu einer Reduzierung der Energiekosten führen und zum anderen den Scherstress (Stress aufgrund mechanischer Belastung) für die Mikroorganismen herabsetzen. Letzteres sorgt für einen Anstieg der Leistung von sensiblen Kulturen. Sehr empfindliche Zellkulturen profitieren von speziellen Gaseintragssystemen, die den Energieeintrag auf ein Minimum reduzieren.
Der Sauerstoff kann durch eine Air Liquide eigene Erfindung ganz oder anteilig blasenfrei in die Wasserphase eingebracht werden.
Schaumbildung vermeiden
In vielen Fällen geht ein nicht unbeträchtlicher Teil des Reaktorvolumens durch massive Schaumbildung verloren. Ursache hierfür ist meist die große Luftmenge, die zur Beatmung der Organismen erforderlich ist. Beim Einsatz von reinem Sauerstoff entfällt der Stickstoff-Ballast der Luft, das eingetragene Gasvolumen sinkt, sodass die Schaumhöhe stark herabgesetzt und somit zusätzliche Produktionskapazität geschaffen werden kann. Aus ökonomischen Gründen wird meist nicht vollständig auf Reinsauerstoff umgestellt, sondern nur ein Teil des Luft-Sauerstoffs durch reinen Sauerstoff ersetzt. Als positiver Nebeneffekt lassen sich oft vorher notwendige Antischaummittel im Bioreaktor einsparen.
Anlagen- und Prozesssicherheit bei der Sauerstoffversorgung des Bioreaktors
Die technische Projektplanung wird von den Air Liquide-Spezialisten durchgeführt und beginnt weit vor der Dimensionierung des Gaseintragssystems für Ihre Anlage. Bereits während der Vorversuche im Labormaßstab steht der Projektingenieur bei anlagen- und verfahrenstechnischen Fragen beratend zur Seite.
Besonders große Aufmerksamkeit wird der Anlagensicherheit geschenkt: Gemeinsam mit dem Anlagenbetreiber werden HAZOP-Studien (HAZOP = Hazard and Operability, in Deutschland PAAG) durchgeführt, in denen alle Anlagenteile, Ausgangsstoffe und Produkte auf ihre Reaktivität in Verbindung mit reinem Sauerstoff analysiert werden.
Neben der Anlagensicherheit ist auch die Prozesssicherheit von großer Bedeutung: Je nach erforderlicher Sterilität des Herstellungsprozesses wird der Gaseintrag an die jeweiligen Bedingungen angepasst.
Darüber hinaus bietet Air Liquide eine prozessbegleitende Gasüberwachung an, die hilft, Veränderungen in den Produktionsprozessen frühzeitig zu erkennen.
Ein Beispiel hierfür ist die Anreicherung von Kohlendioxid in der Flüssigphase, die – je nach Art des Organismus – zu einer Hemmung der biologischen Prozessabläufe führen kann.
Darüber hinaus werden die thermodynamischen Bedingungen berücksichtigt. Bei stark exothermen Reaktionen führt eine Steigerung der Produktionsleistung auch zu einer Erhöhung der erforderlichen Kühlleistung, die erforderlich ist, um den Prozess auf der optimalen Temperatur zu halten.
