Entwicklung eines neuartigen Staustrahl-Membranreaktors zur blasenfreien Begasung von Zellkulturen

A Novel Ramjet Membrane Reactor for Bubble-Free Aeration of Cell Cultures

  • Der Staustrahl-Membranreaktor ist ein neuartiger blasenfrei begaster Reaktor für den Einsatz in der Zellkulturtechnik. Die blasenfreie Sauerstoffversorgung wird durch die Verwendung von Silikonmembranen realisiert. Diese sind als luftdurchströmte Membranscheiben ausgeführt, die als Paket an einer Zugstange befestigt sind. Die Membranscheiben sind mit Durchgangslöchern versehen, die durch die spezielle Anordnung zueinander zusammen mit der periodischen Auf- und Abwärtsbewegung des Membranpaketes Der Staustrahl-Membranreaktor ist ein neuartiger blasenfrei begaster Reaktor für den Einsatz in der Zellkulturtechnik. Die blasenfreie Sauerstoffversorgung wird durch die Verwendung von Silikonmembranen realisiert. Diese sind als luftdurchströmte Membranscheiben ausgeführt, die als Paket an einer Zugstange befestigt sind. Die Membranscheiben sind mit Durchgangslöchern versehen, die durch die spezielle Anordnung zueinander zusammen mit der periodischen Auf- und Abwärtsbewegung des Membranpaketes für eine sich ständig erneuernde Strahl- und Ringwirbelströmung im Reaktorvolumen sorgen. Diese totraumfreie Strömung ist maßgeblich für den guten Stoffaustausch verantwortlich. Das Reaktorvolumen stellt sich als eine Parallel- und Reihenschaltung kleinvolumiger so genannter Elementarzellen dar. Durch Erhöhung der Anzahl dieser Elementarzellen ist es problemlos möglich, das Reaktorvolumen zu vergrößern, ohne dass sich die für Strömung und Stofftransport relevanten Parameter ändern. Die Feldverteilung der lokalen Energiedissipation epsilon, die sich als die entscheidende Größe zur Beurteilung der Schädigung tierischer Zellen erwiesen hat, wurden mittels numerischer Strömungssimulation für den Staustrahl-Membranreaktor ermittelt. Es zeigte sich, dass bei einer Hubfrequenz von f = 0,5 s−1 die maximalen lokalen Werte von epsilon mit 1,2 m2/s3 deutlich unterhalb kritischer Grenzwerte, die im Bereich von epsilon_krit = 20 bis 80 m2/s3 angegeben werden, liegen. Auch bei einer Hubfrequenz von f = 1 s−1 ist die Belastung mit epsilon_max = 7,4 m2/s3 sehr gering. Eine Zellschädigung durch hydrodynamische Kräfte ist im Staustrahl-Membranreaktor somit ausgeschlossen. Auf Basis der Strömungsfelder wurde der Sauerstoffeintrag in das Medium simuliert. Bei der höchsten untersuchten Hubfrequenz von f = 2 s−1 ergaben sich Werte für die maximale Sauerstoffeintragsrate und den Sauerstoffübergangskoeffizienten von OTRmax = 62 mgO2/Lh beziehungsweise kl = 6,7·10−5 m/s. Anhand der Insektenzelllinie Spodoptera frugiperda SF21 wurde die praktische Eignung des Staustrahl-Membranreaktors belegt. Die Kultivierung fand in einem Prototyp mit einem Arbeitsvolumen von 10 Litern statt und ergab eine maximale Lebendzellzahl von 6,1·10^6 Zellen/ml gegenüber 1,5·10^5 Zellen/ml zu Versuchsbeginn. Der neu entwickelte Staustrahl-Membranreaktor konnte seine Eignung in umfangreichen theoretisch-numerischen und experimentellen Untersuchungen unter Beweis stellen und verspricht besonders bei der Übertragung in den Großmaßstab erhebliche Vorteile gegenüber bisher bekannten Reaktorsystemen für die Zellkulturtechnik.show moreshow less
  • A novel ramjet membrane reactor was designed for the special requirements of cell cultures. It could demonstrate its suitability through numerous both theoretical-numerical and experimental studies. Instead of using rotating elements, mixing of the culture broth is achieved by means of a reciprocating disc-package. The discs are equipped with silicone membranes for bubble-free aeration and are connected to the air supply via the shaft. The special arrangement of through-holes in each disc, togetA novel ramjet membrane reactor was designed for the special requirements of cell cultures. It could demonstrate its suitability through numerous both theoretical-numerical and experimental studies. Instead of using rotating elements, mixing of the culture broth is achieved by means of a reciprocating disc-package. The discs are equipped with silicone membranes for bubble-free aeration and are connected to the air supply via the shaft. The special arrangement of through-holes in each disc, together with an up and down motion of the package leads to a periodical rebuilding of fluid jets and vortex flow within the cell suspension. Thus, bubble-free aeration and a homogeneous mixing of the reactor volume is performed by the moving membrane package at the same time. The ramjet membrane reactor can easily be scaled-up. Due to the arrangement of the discs and its periodically vertical movement instead of rotation, the reactor volume can be regarded as a parallel and serial connection of small-sized so called elementary cells. Therefore, the reactor size can be increased by just augmenting the number of elementary cells, keeping constant all parameters relevant for momentum and mass transfer. Numerical investigation of the flow field was done by means of Computational Fluid Dynamics, CFD. The results of the calculation have shown that the local turbulent energy dissipation rate — the critical quantity in animal cell cultivation — reaches a maximum value of epsilon_max = 1,2 m2/s3 at a lifting frequency of f = 0,5 s−1, which is significantly smaller than critical values of epsilon_crit = 20...80 m2/s3 as reported to cause damage to animal cells. Even at f = 1 s−1, the maximum energy dissipation rate of epsilon_max = 7,4 m2/s3 is very low. Therefore, damage of cells due to hydrodynamic stress is not expected in the ramjet membrane reactor. Based on the flow field, oxygen transfer was investigated by means of CFD, too. At the highest regarded lifting frequency of f = 2 s−1, the maximum oxygen transfer rate and the mass transfer coefficient was determined to OTRmax = 62 mgO2/Lh and kl = 6,7·10−5 m/s, respectively. In an examplary cultivation with the insect cell line Spodoptera frugiperda SF21, the applicability of the ramjet membrane reactor was demonstrated. Cultivation was carried out in a 10-L-scale and resulted in a maximum viable cell density of 6,1·10^6 cells/ml compared to 1,5·10^5 cells/ml at the beginning of the experiment. The novel ramjet membrane reactor fulfills all demands of cell culture techniques. Especially concerning the scale-up properties, it promises an advantage over common bubble-free areated reactor systems.show moreshow less

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Metadaten
Author: Janine Tamina Bohlmann
URN:urn:nbn:de:kobv:83-opus-34954
Advisor:Prof. Dr. Ing. Dieter Mewes
Document Type:Habilitationsschrift
Language:German
Date of Publication (online):2012/04/19
Publishing Institution:Technische Universität Berlin
Granting Institution:Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Date of final exam:2012/01/25
Release Date:2012/04/19
Tag:CFD; Energiedissipation; Membranreaktor; Zellkulturen; blasenfreie Begasung
CFD; bubblefree aeration; cell cultures; energydissipation; membrane reactor
Institutes:Institut für Biotechnologie
Dewey Decimal Classification:620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Licence (German):License Logo CC BY-NC-SA: Creative Commons-Lizenz: Namensnennung, nicht kommerziell, Weitergabe zu gleichen Bedingungen