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Medienmitteilung Bioreaktoren: optimierte Leistung dank intelligenter Sensoren
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Sensirion Holding AG / Schlagwort(e): Sonstiges
Medienmitteilung Bioreaktoren: optimierte Leistung dank intelligenter
Sensoren
23.03.2023 / 08:15 CET/CEST
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Bioreaktoren: optimierte Leistung dank intelligenter Sensoren
Intelligente Sensoren für die akkurate Zustandskontrolle in Bioreaktoren
eröffnen neue Möglichkeiten im Gesundheitswesen und in der Pharmaindustrie.
Durch die Integration von vernetzten Überwachungssystemen können Hersteller
von Medizinprodukten höhere Erträge und nützliche Zusatzfunktionen zu
angemessenen Kosten anbieten.
Bioreaktoren werden unter anderem zur Kultivierung von Organismen wie
Enzymen, pflanzlichen und tierischen Zellen sowie Mikroorganismen
eingesetzt. Diese Wirkstoffe werden für die Arzneimittelforschung, die
Entwicklung von medizinischen Behandlungsmethoden, klinische Versuche und
die Herstellung hochwertiger Medikamente verwendet. Neben dem jüngsten
Beispiel der mRNA-Impfstoffe werden in solchen Behältern auch monoklonale
Antikörper zur Behandlung von Krebs, rheumatischer Arthritis und anderen
Krankheiten hergestellt. Innovatoren in den Biowissenschaften gehen davon
aus, dass in Zukunft auch Organ- und anderes Muskelgewebe gezüchtet wird.
Ob in der pharmazeutischen Forschung und Entwicklung, in der Grossproduktion
oder in der medizinischen Behandlung - Bioreaktoren müssen ein perfektes
Umfeld bieten, in dem sich empfindliche Mikroorganismen durch Interaktion
untereinander und unter dem Einfluss der Umweltbedingungen im Apparat
verändern und wachsen können. Für ein ideales Zellwachstum in Bezug auf
Qualität und Ertrag muss die Umgebung der biotischen Populationen genau
kontrolliert werden. Das bedeutet einerseits, den pH-Wert und die Temperatur
zu stabilisieren, und andererseits, die Zufuhr von Luft, Stickstoff und
anderen Gasen sowie Nährstoffen zu gewährleisten.
Das ist kein Neuland, doch die gestiegenen Anforderungen von heute können
die Kultivierung organischer Materialien so komplex machen, dass die
physiochemischen Abhängigkeiten der einzelnen Parameter sorgfältig
aufeinander abgestimmt werden müssen. Hinzu kommen der immer vielfältigere
Einsatz von Bioreaktoren und zweierlei Bestreben, welche die Angelegenheit
zusätzlich erschweren: das Kontaminationsrisiko für die Anwender zu
verringern und die laufenden Prozesse nicht durch die herkömmliche "Messung
durch Probenahme" zu stören.
Vielseitigkeit, Reproduzierbarkeit und Effizienz
Bioreaktoren müssen sich an unterschiedliche Zelltypen anpassen. Bei
Grippeimpfstoffen beispielsweise variieren die Produktionsprozesse von Jahr
zu Jahr, da in jeder kalten Jahreszeit andere Viren mit leicht
unterschiedlichen Eigenschaften auftauchen. Ausserdem wurden, wie die
Pandemie gezeigt hat, von einem Tag auf den anderen grosse Zellmengen
benötigt, was zu einem hohen Bedarf an maximalen Erträgen führte. Die
Herstellung grosser Mengen von mRNA-Impfstoffen erforderte nicht nur
Reaktoren mit hoher Effizienz, sondern auch mit einer hohen
Prozesssicherheit und Wiederholbarkeit. Diese Anforderungen gelten auch für
alle anderen Anwendungen von Bioreaktoren, die für alle Arten der
Massenproduktion von Arzneimitteln eingesetzt werden.
Parameter für ein optimales Zellwachstum
Um ideale physiochemische Bedingungen zu schaffen und schnelle Anpassungen
für spezifische Zellkulturen vorzunehmen, ist die Messung folgender
Parameter in einem Bioreaktor erforderlich:
* pH-Wert
* Temperatur
* Luftfeuchtigkeit
* Gas- und Flüssigkeitskonzentration
* Gas- und Flüssigkeitsdurchfluss
* Druck im Headspace
In den meisten Fällen wird die Temperatur während der Zellkultivierung bei
37 °C und die CO2-Konzentration bei 5 % gehalten. In einigen Fällen müssen
diese Parameter fein justiert werden, um den erforderlichen pH-Bereich zu
erreichen, dem Priorität eingeräumt wird.
Häufig bedarf es eines pH-Werts zwischen 7.0 und 7.4. Die Stabilisierung in
diesem engen Bereich kann eine Herausforderung sein, da mehrere andere
Parameter wie Temperatur, Zellwachstum, Milchsäure und CO2-Gehalt
gleichzeitig ausgeglichen werden müssen. Dies kann durch sogenannte Puffer
geschehen, die jede zusätzliche Säure (H+-Ionen) oder Base (OH-Ionen)
neutralisieren, um den pH-Wert stabil zu halten.
Ausserdem muss die Sauerstoffkonzentration präzis gesteuert werden. Für die
meisten Zellkulturen wird sie bei 20 % gehalten, doch gelegentlich wachsen
einige Kulturen unter anderen Bedingungen besser. Dabei ist es zentral, dass
der Sauerstoff im Zellkulturmedium effizient vom gasförmigen in den
flüssigen Zustand übergeht, damit der Zellstoffwechsel so schnell wie
möglich funktioniert. Die Effizienz des Sauerstofftransfers wird von der
Temperatur, dem pH-Wert und der Begasungsrate beeinflusst.
Schliesslich sollte die Luftfeuchtigkeit auf einem stabilen Niveau sein und
in Echtzeit überwacht werden, um Ausfälle des Belüftungssystems zu erkennen.
Das Gleiche gilt - insbesondere in Einwegbioreaktoren - für den Druck im
Headspace, da die flexiblen Kunststoffbeutel einem Überdruck von einigen
hundert Millibar nicht über einen längeren Zeitraum standhalten können.
Zustandsüberwachung, Fehlererkennung und Datenerfassung
Bei der Schaffung von Bedingungen in Bioreaktoren spielen vernetzte Sensoren
eine Schlüsselrolle. Mehrere intelligente Sensorsysteme für die hochpräzise
Steuerung und die akkurate Überwachung der physiochemischen Prozesse heben
die Kultiviergeräte auf die nächste Leistungsstufe.
Aufgrund der bereits angesprochenen gegenseitigen Abhängigkeiten der
verschiedenen Parameter kann sich ein erfolgreiches Zellwachstum als ein
komplexes Unterfangen erweisen. Der einfachste und kostengünstigste Weg, das
Wachstum organischer Materialien zu optimieren, ist die konsequente
Steuerung und Überwachung der Kultivierungsbedingungen in einem
geschlossenen Kreislauf. Stabile Umgebungen sind besonders wichtig in der
F&E-Phase der Arzneimittelentwicklung und bei der Massenproduktion
empfindlicher Arzneimittel. In solchen Fällen können bereits kleine,
kurzzeitig auftretende Abweichungen den gewünschten Ertrag beeinträchtigen.
Mit Hilfe modernster Sensoren mit Echtzeit-Feedback können Bioreaktoren
nicht nur die Bedingungen umgehend und exakt ändern, sondern auch
unerwünschte Zustände erkennen. Bei abweichenden Sollwerten löst das System
automatisch einen Alarm aus und blockiert den Behälter, um Schäden
vorzubeugen, bei denen teure Substanzen verschwendet werden (wie im Fall
eines Überdrucks in Einweggeräten).
Dementsprechend werden verschiedene Sensortypen verwendet, um
unterschiedliche Fehlerzustände zu erkennen. So werden beispielsweise
Sensoren zur Überwachung der Flüssigkeitskonzentration auch eingesetzt, um
zu überprüfen, ob die richtige Flüssigkeit eingespritzt wird. Das Gleiche
gilt für Flüssigkeitsdurchflusssensoren, die zur Messung des gesamten
abgegebenen Volumens (insbesondere bei teuren Flüssigkeiten) und zur
präzisen Dosierung mehrerer Flüssigkeiten eingesetzt werden, um die
richtigen Konzentrationen sicherzustellen. Dies betrifft auch
Gasdurchflusssensoren. Kurz: Feedbackschleifen tragen zur Optimierung der
Prozesssicherheit und -zuverlässigkeit bei.
Darüber hinaus kann es bei einigen Bioreaktoren hilfreich sein, mehrere
Sensoren desselben Typs einzusetzen - beispielsweise einen am Einlass und
einen am Auslass des Gefässes. Solche "räumlichen" Informationen ermöglichen
ein besseres Verständnis der physiochemischen Prozesse in der Zellkultur.
Ein weiterer Vorteil eines intelligenten Kontrollsystems ist die
Aufzeichnung von Sensordaten einschliesslich der Speicherung in einer
Datenbank. Sollte das Wachstum mangelhafte Ergebnisse hervorrufen, sorgt ein
leicht zugängliches Logbuch mit allen gemessenen Parametern für Klarheit.
Vor allem aus Sicherheitsgründen und zu Forschungszwecken kann es von
grossem Nutzen sein, auf die Datenhistorie des Kultivierungsprozesses
zuzugreifen. Dank eines Trackingsystems können Bediener die Ursachen von
Fehlern schnell ermitteln und die Prozesse anpassen.
Die Lösung: zuverlässige, schnelle und robuste Sensoren
Jüngste Fortschritte bei MEMS-basierten Sensoren haben zu kompakten,
stromsparenden und leistungsstarken Lösungen geführt, die sich auch für
Einwegbioreaktoren eignen (die im Vergleich zu herkömmlichen Bioreaktoren
geringere Mengen an Wasser und Reinigungsmitteln sowie keine Reinigungs- und
Wartungsprozeduren erfordern). Neben Umweltgründen zeichnen sich solche
Anwendungen auch durch geringere Kosten und bessere Umsatzraten aus.
Sensirion bietet ein breites Portfolio an kompakten, leistungsstarken
Sensoren - einschliesslich Einwegsensoren - für die präzise Prozesssteuerung
und akkurate Prozessüberwachung in verschiedenen Arten von Bioreaktoren, die
vom Pilotversuch bis hin zur kommerziellen Produktion eingesetzt werden. Die
biokompatiblen Sensoren der neuen Generation können einfach in bestehende
Bioreaktoren integriert werden, sodass Anwender ihre Apparate aufrüsten
können, anstatt neue anzuschaffen. Die digitalen Sensoren des Schweizer
Herstellers decken weite Messbereiche ab, ohne dabei ihre hohe Akkuratheit
bis zu den kleinsten Werten hinunter zu verlieren. Kein Wunder sind sie zu
einer gefragten Komponente für Next-Level-Bioreaktoren in verschiedenen
medizinischen Bereichen geworden.
Das Bioreaktor-Portfolio von Sensirion
Flüssigkeitsdurchflusssensoren
Konzentrationssensoren für Gemische
Massendurchflussregler
Massendurchflusssensoren
Differenzdrucksensoren
Feuchte- und Temperatursensoren
CO2-Sensoren
Gasanalysatoren / Gasdurchflusssensoren
Links zu den Produktseiten von Sensirion
Flüssigkeitsdurchflusssensoren:
https://sensirion.com/products/product-categories/liquid-flow/
Flüssigkeitsdurchfluss-Konzentrationssensoren:
https://sensirion.com/products/catalog/SLF3C-1300F/
Massendurchflussregler und -sensoren:
https://sensirion.com/products/product-categories/mass-flow-controllers/
https://sensirion.com/products/product-categories/gas-flow-sensors/
Differenzdrucksensoren:
https://sensirion.com/products/product-categories/differential-pressure/
Feuchtesensoren: [A2]
https://sensirion.com/products/product-categories/humidity/
Temperatursensoren:
https://sensirion.com/products/product-categories/temperature/
CO2-Sensoren:
https://sensirion.com/products/product-categories/co2/
VOC-Sensoren (flüchtige organische Verbindungen):
https://sensirion.com/products/product-categories/voc/
Gasanalysatoren / Gaschromatographie:
https://www.qmicro.com/product/dynamiq-x/
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Zusatzmaterial zur Meldung:
Datei:
https://eqs-cockpit.com/c/fncls.ssp?u=b2d4ccc2aae0fa04bdc32330ce90338d
Dateibeschreibung: Bioreactor Illustration
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Ende der Medienmitteilungen
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Sprache: Deutsch
Unternehmen: Sensirion Holding AG
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8712 Stäfa
Schweiz
Telefon: +41 44 306 40 00
Fax: +41 44 306 49 06
Internet: www.sensirion.com
ISIN: CH0406705126
Valorennummer: A2JGBW
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