Forschungen zeigen, dass die aktive Kontrolle von gelöstem CO2 (DCO2) in der Bioproduktion nicht nur den Ertrag erhöht, sondern auch Verbesserungen hinsichtlich der Beständigkeit bei Prozessskalierungen mit sich bringt. Denn CO2 beeinflusst Bioprozesse auf unterschiedliche Weise: So ist beispielsweise über die Zeit eine Akkumulation üblich, da die Zellkonzentration zunimmt und mehr metabolisches CO2 produziert wird. Diese Akkumulation reduziert den intrazellulären pH-Wert, was zu einer langsameren enzymatischen Aktivität oder einer verzögerten Laktatverschiebung führt. Das Ergebnis ist eine geringere Produktionsmenge und -qualität.
Eine übermäßige Belüftung und Vermischung im Prozess kann die schädliche Ansammlung von CO2 verhindern. Allerdings kann auch zu wenig CO2 zu Problemen führen: Es lässt die Zellen verhungern, die für die Bildung von metabolischen Zwischenprodukten benötigt werden, indem das Zellwachstum, der Stoffwechsel und die Produktivität verlangsamt werden. Eine übermäßige Entfernung des CO2 kann zudem die Pufferkapazität in Bicarbonat-Systemen reduzieren. Medienzuführungen und Prozessanpassungen führen darüber hinaus zu großen Schwankungen des gelösten CO2, die im Zuge unzureichender Überwachungen häufig unbemerkt bleiben.
„Da DCO2 sowohl als Produkt, als Reaktant des Stoffwechsels oder im Rahmen eines Puffersystems zahlreiche Aspekte eines typischen Bioprozesses beeinflusst, ist die zuverlässige Messung und Steuerung enorm wichtig“, erklärt Giovanni Campolongo, Manager bei Hamilton Process Analytics. Doch nur eine kontinuierliche Inline-Messung, die eine optimale Kontrolle des Parameters sowie die engmaschige Erhebung von Echtzeit-Daten aus dem Reaktor liefern und ein schnelles Eingreifen ermöglichen, begünstigt das Zellwachstum und somit auch Produktionsphasendauer und Titer. Nur auf diese Weise können ein maximaler Ertrag und höchste Qualität sichergestellt werden.
Methoden zur Bestimmung des gelösten CO2
Bei der Entwicklung des neuen Sensors CO2ntrol hatte das Team von Hamilton besonders die Wirtschaftlichkeit in der Anwendung sowie ein hohes Maß an Widerstandsfähigkeit im Hinblick auf die Autoklavierung sowie Sterilization-in-Place-(SIP)- und Cleaning-in-Place-(CIP)-Zyklen im Blick. Denn ein Sensor ist lediglich von begrenztem Nutzen, wenn er einem gesamten Bioprozess nicht standhalten kann.
„Zur Bestimmung des gelösten Kohlenstoffdioxidgehalts in Bioreaktoren gibt es verschiedene Methoden, die jedoch alle auch signifikante Nachteile aufweisen“, sagt Campolongo. „Die Offline- beziehungsweise Atline-Messung mittels Referenzanalysatoren ist zwar sehr präzise, aber durch die punktuellen Probenahmen fehlen wichtige Messdaten. Off-Gas-Messungen sind zwar kostengünstiger, aber für gelöste Kohlendioxide nicht sehr genau.“
Die bis dato einzigen Inline-Sensoren basieren auf dem Severinghaus-Prinzip. Diese elektrochemischen Sensoren liefern zwar kontinuierlich Messwerte, sind aber gleichzeitig sehr wartungsaufwendig, da sie regelmäßig kalibriert werden müssen. „Dies bedeutet über die Gesamtlebensdauer des Produkts auch hohe Folgekosten. So ist keine der möglichen Varianten vollends zufriedenstellend“, stellt Campolongo fest.
CO2 Messung im Bioreaktor revolutionieren
Während diese herkömmlichen elektrochemischen Sensoren gelöstes CO2 also nur indirekt messen können, wartungsintensiv und anfällig für Messabweichungen sind, revolutioniert Hamilton mit seiner neuen Lösung die Messung dieses Parameters und bietet deutliche Vorteile: „Mit dem neuen CO2ntrol-Sensor ist die Entwicklung eines Novums im Bereich der CO2-Messung in Bioreaktoren gelungen. Wir haben den Bedarf am Markt erkannt: Es musste ein Sensor her, der exakte Resultate liefert, robust und einfach zu bedienen ist sowie Wirtschaftlichkeit und technologisches Know-how vereint“, unterstreicht Campolongo den Bedarf und ergänzt: „Das Team entwickelte daher einen Solid-State-Sensor, der auch nach Sterilisationsprozessen keine weitere Produktkalibrierung erforderlich macht und absolut reproduzierbare Ergebnisse liefert.“
Der optische Sensor misst DCO2 direkt und bietet zeitgleich eine Echtzeit- sowie Inline-Steuerung dieses kritischen Prozessparameters. Aufgrund der direkten Messung wird eine wesentlich verbesserte Messgenauigkeit erreicht, die Hamilton mit fünf Prozent in dem für Bioreaktoren relevanten Bereich von fünf bis 1.000 mbar angibt.
Da bei dem Sensor zudem keinerlei Ersatzteile im Zuge der Anwendung getauscht werden müssen, ist er absolut wartungsfrei. Alles in allem werden dadurch die Ergebnisse auf eine neue Qualitätsebene gehoben sowie die Betriebskosten deutlich gesenkt. „Wir haben es geschafft, einen Meilenstein zu setzen. Wir sind überzeugt, dass mit diesem neuartigen Sensor Bioprozesse massiv optimiert werden können“, resümiert Campolongo.
Abgerundet wird die Neuentwicklung durch die integrierte Arc-Technologie, die eine direkte Kommunikation mit dem Prozessleitsystem gewährleistet. Der Sensor sendet nicht nur einen kompensierten Messwert zur Steuerung von Prozessen. Vielmehr bietet er auch eine Vielzahl an Diagnosefunktionen, die automatisch und GMP-konform aufgezeichnet werden. Der CO2-Wert kann somit schnell und exakt erhoben, gesteuert sowie dokumentiert werden.
