Charakterisierung und Scale-up des Blasenbettreaktors zur industriellen Kultivierung tierischer Zellen:
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| Format: | Abschlussarbeit Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Düsseldorf
VDI-Verl.
1997
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| Ausgabe: | Als Ms. gedr. |
| Schriftenreihe: | Verein Deutscher Ingenieure: [Fortschrittberichte VDI / 17]
161 |
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| Beschreibung: | Zsfassung in dt. und engl. Sprache |
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| adam_text | Titel: Charakterisierung und Scale-up des Blasenbettreaktors zur industriellen Kultivierung tierischer Zell
Autor: Trocha, Martin
Jahr: 1997
FORTSCHRITTBERICHTE VM Dipl.-Ing. Martin Trocha, Essen Charakterisierung und Scale-up des Blasenbettreakters zur industriellen Kultivierung tierischer Zellen Reihe 17 : Biotechnik Nr. 161
V INHALTSVERZEICHNIS Symbolverzeichnis ....................................................................IX Zusammenfassung.................................................................. XVII Summary.............................................................................XIX 1. Entwicklungsstand und Bedeutung der Kultivierung tierischen Zellen.........1 1.1 Historische Entwicklung der Zellkulturtechnik ................................................1 1.2 Warum Zellkulturen? ..............................................................................2 1.3 Wirtschaftliche Bedeutung der Kultivierung tierischer Zellen ................................2 1.4 Gegenwärtiger Stand der Verfahrensentwicklung .............................................4 1.5 Zielsetzung dieser Arbeit ................ 5 2. Biologische und physikalische Grundlagen ......................................7 2.1 Einordnung des Prozesses ........................................................................7 2.2 Biologische Aspekte der Begasung ..............................................................8 2.2.1 Zellschädigung in Suspensionskulturen ...............................................8 2.2.2 Bedeutung des C0 2 bei der Fermentation ............................................11 2.3 Methoden der Begasung .........................................................................13 2.3.1 Grundlagen des G-/L-Stoffaustauschs ................................................13 2.3.2 Blasenfreie Begasung und konventionelle Blasenbegasung ........................18 2.4 Bisheriger Entwicklungsstand des Blasenbettreaktors .......................................20 2.4.1 Das Konzept des Blasenbettreaktors ..................................................20 2.4.2 Experimentelle Resultate im 2.4L-Reaktor ...........................................22
VI 3. Besonderheiten des Stoffaustauschs im Blasenbettreaktor ....................23 3.1 Veränderung der Größe beim Aufstieg einer Einzelblase ....................................23 3.1.1 Aufstieg in binären Systemen ..........................................................24 3.1.2 Einfluß weiterer Gaskomponenten ....................................................26 3.1.3 Auswirkungen auf den Blasenbettreaktor ............................................29 3.2 C0 2 -Akkumulation im Blasenbett ..............................................................30 4. Scale-up des Blasenbettreaktors .................................................33 4.1 Erforderliche Umlaufrate im Blasenbettreaktor ...............................................34 4.2 Überlegungen zur Leitrohrgestaltung ..........................................................36 4.2.1 Variationen des Leitrohres .............................................................36 4.2.2 Design des Diffusor-Leitrohres ........................................................37 4.2.3 Vermeidung von Tromben .............................................................39 4.3 Dimensionierung der Reaktorhauptmaße ......................................................40 4.4 Theoretische Sauerstoffausbeute ...............................................................43 4.5 Begaser ............................................................................................45 4.5.1 Erzeugung monodisperser Blasen mittels Einzeldüsen .............................46 4.5.2 Begasen mit parallelgeschalteten Düsen ..............................................48 4.6 Leistungsbedarf von Blasenbettreaktoren .....................................................49 4.7 Zusammenfassung ...............................................................................54 5. Experimentelle Charakterisierung des 250L Blasenbettreaktors...............SS 5.1 Materialien und Methoden
......................................................................56 5.1.1 Modellmedium ...........................................................................56 5.1.2 Vorstellung der Versuchsanlage .......................................................57 5.2 Charakterisierung der Blasen am Mehrkapillarenbegaser ...................................61 5.2.1 Blasengröße am Mehrkapillarenbegaser ..............................................62 5.2.2 Aufstiegsgeschwindigkeit der Blasensträhnen .......................................63 5.2.3 Konsequenzen für den Betrieb ........................................................64 5.3 Förderung im Blasenbettreaktor ................................................................65
vn 5.4 Stoffübergangsmessungen.................................... 66 5.4.1 Sauerstoffkonzentrationsmessung.......................................................66 5.4.2 k L -a Bestimmung mit der dynamischen Methode ....................................68 5.4.3 Oberflächenbelüftung ...................................................................73 5.4.4 Stofftransfer an aufsteigenden Blasenschwärmen ...................................74 5.4.5 Blasenbettbetrieb ........................................................................75 5.4.6 Hold-up im Blasenbettreaktor ..........................................................79 5.5 Diskussion der experimentellen Resultate .....................................................81 5.5.1 Stoffübergangsbeziehungen für Blasen in tensidhaltigem Wasser ................81 5.5.2 Zusammenhang zwischen k L -a und Rührleistung ...................................82 5.5.3 Scale-up Kriterium für den Rührer im Blasenbettreaktor ...........................83 5.6 Zusammenfassung ...............................................................................84 6. Protein- und serumfreie Fermentation von Hybridomzellen in begasten, kontinuierlich betriebenen 70L und 250L Reaktoren...........................85 6.1 Materialien und Methoden .......................................................................86 6.1.1 Zellinie, Medium und Vorkultur .......................................................86 6.1.2 Anlagebeschreibung und Systemanpassung für den Blasenbettbetrieb ...........86 6.1.3 Analytik ............................................................................ 90 6.1.4 Bilanzierung der Zellproliferation .....................................................90 6.1.5 Bilanzierung des Sauerstoffs ...........................................................92 6.1.6 Statistische Analyse .....................................................................93 6.2
Chemostat-Kultivierung im 70L Reaktor ......................................................94 6.2.1 Kultivierung ohne Schutzfaktoren im Blasenbettreaktor ............................95 6.2.2 Kultivierungen ohne Schutztenside im konventionellen Reaktor ..................97 6.2.3 Zeliagglomerate ..........................................................................98 6.2.4 Vergleich der Stoffwechselaktivitäten und der Teilungsraten ......................99 6.3 Perfusionsbetrieb im 250L Reaktor ..........................................................102 6.3.1 Zell Wachstum ...........................................................................102 6.3.2 Zugabe von NaOH .....................................................................105 6.4 Zusammenfassung ..............................................................................106
Vffl 7. Untersuchungen zum Trennmechanismus im Spinfllter.......................108 7.1 Theorie ...........................................................................................108 7.2 Experimente im nicht-biologischen System .................................................114 7.2.1 Geschwindigkeit im Ringspalt des Spinfilters ......................................114 7.2.2 Filtrationsversuche mit Latex-Beads .................................................119 7.3 Spinfiltration in industriellen Zellkulturen ...................................................120 7.4 Diskussion .......................................................................................122 8. Möglichkeiten und Grenzen des Blasenbettreaktors ..........................125 8.1 Einordnung des Blasenbettreaktors in G-/L-Reaktoren ....................................125 8.2 Mögliche Einsatzgebiete des Blasenbettreaktors ............................................128 8.3 Ausblick .........................................................................................128 A Anhang............................................................................130 Al Aufstiegsgeschwindigkeit von Einzelblasen .................................................130 A2 Messen kleiner, dampfhaltiger Gasströme ...................................................131 A3 Ergänzung zur Anlagebeschreibung ..........................................................132 Literatur 133
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