Abb. 2 Der Festbettfermenter eignet sich besonders für die Herstellung extrazellulärer Produkte in Langzeitkulturen
Abb. 3 Einsatz des Rotorfilters
Tierzellen unterscheiden sich von prokaryotischen Zellen in vielerlei Hinsicht. Sie weisen beispielsweise niedrigere Wachstumsraten und eine größere Empfindlichkeit gegenüber Scherkräften und Luftblasen auf. Diese Charakteristiken haben starken Einfluss auf die Konstruktion von Bioreaktoren. Bioengineering hat für diesen Anwendungsbereich spezielle Misch- und Belüftungssysteme entwickelt.
In Zellkulturen muss eine homogene Mischung gewährleistet sein. Nur so lassen sich Temperatur- und pH- Gradienten oder Gradienten von anderen Mediumsbestandteilen vermeiden. Gleichzeitig ist die Scherempfindlichkeit der Zellen in Betracht zu ziehen. Mechanisches Mischen erfolgt daher typischerweise mit Propellerrührern bei niedrigen Drehzahlen. Durch die Zellkulturtechnik auftretende Probleme der Durchmischung werden auch durch pneumatisches Mischen in Airliftfermentern oder hydraulisches Mischen mit externen Pumpen in Wirbelschichtreaktoren gelöst.
Um Schaumbildung zu vermeiden und zur Verhinderung von Zellschäden durch Luftblasen, kann die Begasung mit reduzierten Flussraten, durch Oberflächenbelüftung oder mit blasenfreier Belüftung durch Membranen erfolgen. Bei der Verwendung reduzierter Gasflussraten muss die Sauerstoffkonzentration im Belüftungsstrom erhöht werden. Gasmischstationen garantieren die optimale Versorgung mit Sauerstoff, Stickstoff, Luft und Kohlendioxid.
Die Kultivierung von tierischen Zellen kann in Batch-, Fed-Batch oder kontinuierlicher Kultur mit und ohne Rückhaltung der Zellen erfolgen. Im Batchverfahren werden die Zellen ohne Zugabe von zusätzlichem Substrat nach der Inokulation kultiviert. Dabei kann die Produktivität durch Substratlimitierung oder die Bildung von toxischen Produkten reduziert werden. Um diese Probleme zu verringern, kann die Fed-Batch-Technik angewendet werden. Hierbei werden schrittweise Medium oder essenzielle bzw. limitierende Nährstoffe nach dem Beimpfen zur Fermentationsbrühe zugefügt. Bei kontinuierlichen Fermentationsverfahren entfernt man wachstumsinhibierende Produkte, wie zum Beispiel Laktat oder Ammoniak, fügt gleichzeitig frisches Medium hinzu, um Substratlimitierungen zu vermeiden. Limitierungen der Produktivität von Tierzellen sind meist auf die geringen Wachstumsraten zurückzuführen. Deshalb wird die kontinuierliche Kultivierung oft mit Zellrückhaltung durchgeführt (Perfusionssystem). Dies erlaubt höhere Zelldichten und gleichzeitig einen hohen Mediumsdurchsatz, die Produktivität wird somit wesentlich gesteigert. Die Zellrückhaltung wird mit geeigneten Filtrationssystemen wie Rotorfiltern oder Spiralfiltern durchgeführt.
