TY - THES A1 - Löffelholz, Christian T1 - CFD als Instrument zur bioverfahrenstechnischen Charakterisierung von single-use Bioreaktoren und zum Scale-up für Prozesse zur Etablierung und Produktion von Biotherapeutika T1 - CFD as a tool for engineering characterization of single-use bioreactors and for scaling-up processes for establishing and producing biotherapeutics N2 - Single-use Bioreaktoren sind im biopharmazeutischen Umfeld etabliert und werden heute vor allem im F&E-Bereich sowie bei der klinischen Produktion von biopharmazeutischen Produkten eingesetzt. Für die Herstellung solcher Produkte werden vielfach die single-use Bioreaktoren von Sartorius Stedim Biotech (UniVessel® SU und der BIOSTAT® STR) und Thermo Scientific (S.U.B.) genutzt, deren Eignung auf Basis ihrer Strömungseigenschaften in dieser Arbeit diskutiert wird. Hierfür wird sowohl eine grundlegende als auch eine erweiterte, örtlich und zeitlich betrachtende verfahrenstechnische Charakterisierung durchgeführt. Die für Zellkulturbioreaktoren verfahrenstechnisch relevanten Parameter, wie der spezifische Leistungseintrag, die Mischzeit, der Sauerstoffübergang werden durch etablierte, experimentelle Methoden bis zu einem Maßstab von 50 L bestimmt. Mittels der örtlichen und zeitlich auflösenden numerischen Strömungsmechanik (engl.: Computational Fluid Dynamics, CFD) werden Prozessgrößen verglichen und detaillierte Strömungsverläufe beschrieben. Die experimentelle Betrachtung des Strömungsverhaltens und der Fluidgeschwindigkeiten sowie der Vergleich der experimentell und numerisch erhaltenen verfahrenstechnischen Parameter dienen der Validierung der CFD-Modelle bis zum 50 L Maßstab. Auf Basis der validierten CFD-Modelle erfolgt die numerische Bestimmung der verfahrenstechnischen Parameter für die unterschiedlichen single-use Bioreaktoren bis zu den jeweiligen maximalen Arbeitsvolumen von 1000 L (BIOSTAT® STR) bzw. 2000 L (S.U.B.). Aufgrund der verfahrenstechnischen Parameter sind die betrachteten single-use Kultivierungssysteme vergleichbar mit konventionellen Zellkulturbioreaktoren (aus Glas oder Edelstahl) und zeigen eine Skalierbarkeit auf. Eine detailliertere Betrachtung zur Maßstabsübertragung basiert auf den Mischzeit und den mittleren, lokalen Schergradienten. Beide Parameter zeigen eine Abhängigkeit zur Reaktor- und Rührergeometrie, zum spezifischen Leistungseintrag und zum Volumen, wodurch sich deren Bestimmung durch die Etablierung zweier Gleichungen für die aufgeführten single-use Bioreaktoren realisieren lässt. Die numerisch erhaltenen verfahrenstechnischen Parameter werden schließlich für die Prozessauslegung und -entwicklung eines Modellprotein-Produktionsprozesses mit CHO-Zellen herangezogen. Das üblicherweise eingesetzte Kriterium einer Maßstabsübertragung - der spezifische Leistungseintrag - zeigt dabei nur bedingt erfolgversprechende Ergebnisse für die Prozessauslegung auf. Hingegen werden mit den numerischen Mischzeiten und den mittleren, lokalen Schergradienten als Kriterien zur Maßstabsübertragung wesentlich höhere maximale Lebendzelldichten erhalten. Zusätzlich sind die gemessenen maximalen Lebendzellzahlen für die Labor- und Pilotmaßstäbe reproduzierbar. Des Weiteren wird für die Prozessentwicklung die Quantität der Proteinexpression des biphasischen Produktionsprozesses (mit CHO XM 111-10 Zellen) herangezogen. Nach der Proteininduktion mittels eines etablierten single-use Crossflow-Verfahrens werden Proteinkonzentrationen bis 60 U/mL gemessen. Die aus den Produktionsprozessen gewonnenen Resultate lassen dabei auf die vorteilhafte Nutzung der single-use Bioreaktoren von Sartorius Stedim Biotech schließen und zeigen die Möglichkeit einer CFD-basierten Prozessauslegung auf. Die numerische Herangehensweise kann resultierend auch als Grundlage für weitere moderne Produktionsprozesse, wie beispielsweise für die Stammzellexpansionen, dienen. N2 - Single-use bioreactors are well established in biopharmaceutical industry and are currently used in the field of R&D as well as for clinical production trials of biopharmaceutical products. In many cases, the manufacturing of such products is realized in single-use bioreactors from Sartorius Stedim Biotech (UniVessel® SU and BIOSTAT® STR) and Thermo Scientific (S.U.B.). Based on their fluid characteristics, the suitability of these single-use bioreactors is discussed. For this reason, a fundamental as well as an advanced engineering characterisation of the investigated single-use bioreactors is carried out. Engineering parameters are important for cell cultivation, such as specific power input, mixing time, and the mass transfer will be determined by well-established methods up to a scale of 50 L. Based on the spatial and temporal solution of the Computational Fluid Dynamics (CFD), a comparison of process parameters and a detailed fluid flow pattern is described. The experimental predicted fluid flow pattern and the velocity distribution as well as the comparison of (experimental and numerical) engineering parameters are used for the validation of the CFD models up to 50 L scale. Based on the validated CFD models, the numerical prediction of engineering parameters is carried out up to the production scale of 1000 L (BIOSTAT® STR) and 2000 L (S.U.B.). The predicted engineering parameters of the single-use systems are comparable to these conventional cell cultivation bioreactors made from stainless steel or glass and reveal full scalability from bench-top to production scale. Detailed information of scale-up / scale-down is provided by the numerically predicted mixing time and mean, local shear gradients. These two parameters depend on the geometry of the reactor and stirrer, the specific power input, and the working volume. They can be determined by using two equations for the investigated single-use bioreactors. Finally, the numerically predicted engineering parameters are used for the establishment of a CHO cell-based protein production process. Typically, the specific power input represents the criterion for scale-up / scale-down procedures, but no promising results are obtained for the investigated bioreactors. However, if the numerical mixing time and mean, local shear gradients are used as scale-up / scale-down criteria significantly higher cell densities are obtained and is confirmed in lab and pilot scale. In addition, the protein expression during a biphasic production process (CHO XM 111-10 cell line) is considered for process development. Here, the induction of the protein expression is follow by an established single-use cross-flow filtration procedure delivering up to 60 U/mL. The obtained results indicate advantageous performance of the single-use bioreactors of Sartorius Stedim Biotech and point out the potential of CFD-based process development. Concluding, the numerical approach may be used as the basis for further modern production processes, such as the expansion of stem cells. KW - Bioreaktor KW - CHO-Zelle KW - Biopharmazie KW - Strömungsmechanik KW - Numerisches Verfahren KW - Bioverfahrenstechnische Charakterisierung KW - CFD KW - CHO-Zellen KW - Single-use Bioreaktoren KW - Massstabsübertragung KW - CFD KW - CHO cells KW - Engineering characterisation KW - Scale-up KW - Single-use bioreactors Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-29613 ER -