Bakterielle Fermentationen sicher dokumentieren

Die Autoren: Dr. Alexander Angersbach CEO, EloSystems Dr. Victor Bunin Leiter Entwicklung, EloSystems

Mit zunehmender Anwendung von hochvariablen, zellbasierten Herstellungstechnologien werden immer höhere Anforderungen an die prozessbegleitenden Analysetechniken für die Entwicklung, Produktion und Qualitätssicherung gestellt. Die Tendenzen sind eindeutig – es sollen mehr Informationen über den Ablauf der biotechnologischen Produktion, möglichst zeitnah gewonnen werden.

Dazu gehören ein größtmöglicher Automatisierungsgrad solcher Analysen und eine möglichst vielseitige, ausführliche Dokumentation.

Die bestehenden, auf Sensoren wie pH- oder Sauerstoffsensoren basierenden Kontrollsysteme, die in den klassischen Bioreaktoren integriert sind, geben weder ausreichende Informationen über den Verlauf komplexer biochemischer Reaktionen, noch über die gebildeten Zielprodukte und Zustände von Zellen. Ein Schwerpunkt wird aber auch auf die Analyse des Zellzustands gesetzt.

Man will mehr über Zellen als die „zentralen Figuren“ im biotechnologischen Prozess wissen. Für Bakterienzellen und dementsprechend für den großen Bereich der Biotechproduktion besteht derzeit ein Bedarf an kommerziell erhältlichen Systemen, die eine zerstörungsfreie und informationsreiche Charakterisierung und Dokumentation des Zellzustandes sicherstellen.

Bei der prozessbegleitenden Erfassung von physiologischen Parametern der Bakterienzellen als Produzenten von Biosubstanzen bietet eine elektrooptische Messmethode und das Messsystem EloTrace innovative Ansätze. Bei der Fermentation entstehen durch die zellulären Regulationsmechanismen ständige Anpassungen von Bakterien an die sich verändernden Wachstumsbedingungen. Diese Anpassung spiegelt sich wieder in der Biosyntheseleistung, begleitet durch die intrazelluläre Akkumulation von Biosubstanzen, organischen Säuren und anderen Ionen und in Änderungen der Zellgröße, bedingt durch die Zellteilung oder der intrazellulären Akkumulation bzw. dem Abbau von osmotisch wirksamen Substanzen. Diese Änderungen der Zellphysiologie und -morphologie unterliegen strengen, stammspezifischen Regulationsmechanismen und haben, bei gleichbleibenden Wachstumsbedingungen, (Substratangebot, Temperatur, pO2) einen erstaunlich starken Wiedererkennungswert . Die elektrooptische Messtechnik erlaubt, diese Profile zu erfassen und als Fingerprint einer Fermentation zu dokumentieren; sowohl im kleinen (ml-Bereich) als auch im großtechnischen Produktionsmaßstab. So ermöglicht diese Technik die Wachstums- und Produktionsphasen von Bakterienzellen von der Stammentwicklung bis hin zum Produktionsmaßstab zu begleiten und zu dokumentieren.

Die vollautomatische Messeinheit EloTrace von EloSystems wird zum Monitoring von bakteriellen Fermentationen eingesetzt. Die Messeinheit erlaubt die gleichzeitige Echtzeiterkennung von Zellgröße, Zellanzahl sowie physiologischen Parametern, die wichtige Informationen über den Aktivitäts- und Vitalitätszustand der Zellen in vivo liefern. Das Messprinzip basiert auf einem elektrooptischen Messverfahren, das auf hohe Präzision und einfache Anwendung bei Bakterien mit einer Länge von 0,7 bis 12 µm und typisch länglicher Zellmorphologie angepasst wurde. Der elektrooptische Analysator EloTrace wird in verschiedenen Bereichen der Biotechproduktion und -entwicklung angewandt. Alle Anwender sind auf kontrollierte Bakterienkultivierungen angewiesen, wobei das Monitoring der Zustände von Bakterienzellen im Vordergrund steht. Die Aufgabestellungen sind: ein besseres Verständnis von Wachstums- und Produktionsphasen von Bakterienzellen in der Fermentation, Prozessoptimierung, Scale-up, vielseitige Prozessdokumentation und die Qualitätssicherung von Zielprodukten.

Darüber hinaus gibt das automatische Onlinemonitoring die Gelegenheit, schnelle Messungen komplexer Kulturparameter für die Prozesskontrolle zu nutzen. Die Erkennung und Überwachung neuartiger Pass-Fail-Kriterien der Kulturentwicklung erhöht die Effizienz von bakteriellen Fermentationen.

Mit EloTrace ist die Messung von Einzelproben, die kontinuierliche Messung von Schüttelkolben oder ein direkter Anschluss an den Bioreaktor möglich. Innen- und Außensterilisation ist ebenfalls möglich. Die automatische Datenerfassung, Datenarchivierung und der Datenexport erfolgen entsprechend branchenspezifischer Richtlinien. Die Bakterienzellen werden in einem schwachen elektrischen Feld vermessen. Der Frequenzbereich des Anregungsfelds liegt zwischen 10 kHz und 20 MHz, der Bereich der Feldstärken reicht von 20 bis 100 V/cm. Die Wirkungsdauer des Anregungsfelds wird abhängig vom Bakterientyp im Bereich von 1,5 bis 12,0 s eingestellt. Für eine Messung sind ca. 4 ml Zellsuspension mit einer Konzentration von ca. 1 x 107 Zellen/ml notwendig. Die automatische Probenentnahme, Probenvorbereitung und Messung kann in kurzen Intervallen durchgeführt werden, z. B. in 10 bis 15 min. Das ist voll ausreichend, um die dynamischen Entwicklungen der Zellkultur zu dokumentieren. Auf Wunsch von Kunden aus dem Pharmabereich wird EloTrace mit einem Edelstahlgehäuse ausgestattet. Für Sicherheitslabore ermöglicht dies die vorgeschriebene regelmäßige Behandlung der Geräteoberfläche mit Desinfektionsmitteln. Ein beständiges Edelstahlgehäuse ist auch vorteilhaft für den Einsatz in Produktionsräumen. Aufgabenfelder speziell aus dem Bereich Fermentation von E. coli in der Pharmazie sind:

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