Veröffentlicht am

05/2024 – Steigerung der Sauerstoffübertragungseffizienz in Bioreaktoren: Beherrschung von kLa

gas bubbles

Im Bereich der Bioprozesse ist der volumetrische Stoffübergangskoeffizient, oder kLa, ein entscheidender Parameter, der misst, wie effektiv Sauerstoff von der Gasphase in die Flüssigphase in Bioreaktoren übertragen wird. Dieser Koeffizient ist von entscheidender Bedeutung, um sicherzustellen, dass kultivierte Zellen den für optimales Wachstum und Produktivität notwendigen Sauerstoff erhalten. Hier ein genauerer Blick darauf, was kLa beinhaltet und wie es optimiert werden kann, um die Effizienz von Bioprozessen zu steigern.

Verständnis von kLa

kLa steht für den volumetrischen Stoffübergangskoeffizienten, wobei:

  • k die Stoffübertragungsrate an der Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche ist,
  • L anzeigt, dass die Übertragung in der flüssigen Phase stattfindet,
  • a die verfügbare Oberfläche für den Gasaustausch darstellt.

Die Effizienz der Sauerstoffübertragung, wie durch kLa angegeben, beeinflusst direkt die Gesundheit und Produktivität der Zellen. Eine unzureichende Sauerstoffübertragung kann zu reduziertem Zellwachstum und niedrigeren Produktausbeuten führen, was die Optimierung von kLa zu einem entscheidenden Aspekt des Bioprozessengineerings macht.

Strategien zur Optimierung von kLa in Bioreaktoren

Die Verbesserung von kLa beinhaltet die Verbesserung der Bedingungen und der Ausrüstung, die im Sauerstoffübertragungsprozess verwendet werden. Hier sind einige effektive Ansätze:

1. Erhöhung der Rührgeschwindigkeit

Eine Erhöhung der Rührgeschwindigkeit in Bioreaktoren verbessert das Mischen und erhöht die Turbulenz innerhalb des Kulturmediums. Dies führt zu einer größeren Oberfläche, in der Sauerstoff in die Flüssigkeit gelöst werden kann, und somit zu einer Erhöhung von kLa.

2. Verbesserte Belüftung

Durch Erhöhung der Belüftungsrate, indem mehr Luft oder reiner Sauerstoff in den Bioreaktor gepumpt wird, wird der Partialdruck des Sauerstoffs erhöht, was seine Löslichkeit und Übertragungseffizienz in das Medium verbessert.

3. Verwendung von reinem Sauerstoff

Der Wechsel von Luft zu reinem Sauerstoff kann den Sauerstoffkonzentrationsgradienten zwischen der Gas- und der Flüssigphase erheblich erhöhen, was die Massenübertragungsraten verbessert.

4. Optimierung des Rührerdesigns

Die Verwendung von speziell für eine bessere Gasverteilung entwickelten Rührern kann die effektive Oberfläche für den Massentransfer erhöhen. Verschiedene Typen und Konfigurationen von Rührern können getestet werden, um die effektivste Option für spezifische Bioprozessanforderungen zu finden.

In bbi-biotech’s shop erhalten Sie die verschiedensten Rührer-Designs.

5. Verringerung der Flüssigkeitsviskosität

Eine niedrigere Viskosität im flüssigen Medium erleichtert ein besseres Mischen und eine bessere Verteilung der Gasblasen im Medium. Dies kann durch Anpassung der Zusammensetzung des Mediums oder seiner Temperatur erreicht werden.

6. Optimierung der Blasengröße

Kleinere Blasen schaffen eine größere Oberfläche im Verhältnis zu ihrem Volumen und verbessern so die Sauerstoffübertragung. Sparger oder Diffusoren, die eine feine Blasengröße erzeugen, können kLa erheblich verbessern.

In bbi-biotech’s Shop erhalten Sie Microsparger mit verschiedenen Porengrößen und Macrosparger mit verschieden großen Löchern.

7. Kontrolle der Umgebungsbedingungen

Faktoren wie Temperatur und pH-Wert können die Löslichkeit von Sauerstoff im flüssigen Medium beeinflussen. Ihre Aufrechterhaltung innerhalb optimaler Bereiche gewährleistet eine höhere Löslichkeit und bessere Diffusionsraten und verbessert so die Effizienz der Sauerstoffübertragung.

Schlussfolgerung

Die Optimierung von kLa ist wesentlich für die Maximierung der Effizienz von Bioreaktoren, indem sichergestellt wird, dass ausreichend Sauerstoff übertragen wird, um das Zellwachstum und die Produktivität zu unterstützen. Durch die Anwendung der oben dargelegten Strategien können Bioprozessfachleute die Leistung ihrer Bioreaktoren verbessern, was zu verbesserten Ergebnissen und Erträgen führt. Dieser Schwerpunkt auf eine effiziente Sauerstoffübertragung ist grundlegend für den Erfolg und die Skalierbarkeit biotechnologischer Anwendungen.