Photobioreaktoren für phototrophe Prozessentwicklung und tubulares Scale-up

Für vergleichendes Screening und frühe Prozessentscheidungen entwickelt

xCUBIO phar bubble ist für vergleichendes Screening, Parameteroptimierung und reproduzierbare frühe Prozessentwicklung mit phototrophen Mikroorganismen konzipiert.

Statt isolierte Einzelversuche nebeneinanderzustellen, können Anwender Stämme, Medienzusammensetzungen und Betriebsstrategien unter definierten parallelen Bedingungen vergleichen – und Ergebnisse erzeugen, die für den nächsten Entwicklungsschritt besser belastbar sind.

Von Einzelsystemen bis zu 24 parallelen unabhängig geregelten Gefäßen

Die xCUBIO phar bubble Familie umfasst kompakte Single- und Twin-Systeme ebenso wie skalierbare Multi-Gefäßplattformen mit bis zu 24 unabhängig geregelten Gefäßen.

In der größeren Ausbaustufe kann der xCUBIO multi Controller bis zu sechs Supply Tower und bis zu 24 Bubble-Column-Gefäße in einer integrierten Systemumgebung betreiben.

So können Anwender mit einem kleineren Setup starten und das System Schritt für Schritt zu einer leistungsfähigen parallelen Entwicklungsplattform erweitern, in der jeder einzelne Bioreaktor separat überwacht und geregelt werden kann.

Definierte Gefäßbedingungen für aussagekräftige Parallelversuche

Aussagekräftige Parallelversuche hängen von mehr ab als nur von der Anzahl der Gefäße. Die xCUBIO phar bubble Plattform kombiniert auto­klavierbare Bubble Columns aus Borosilikatglas mit definierter Temperierung.

Das Gefäßdesign nutzt einen doppelwandigen unteren Bereich für die Temperaturführung und einen einwandigen oberen Bereich für eine bessere Lichtausnutzung. Grobblasige Begasung und separate Magnetrührung unterstützen eine stabile Suspension und vergleichbare Prozessbedingungen über alle Gefäße hinweg.

Jeder Reaktor kann mit einer eigenen Beleuchtungseinheit mit vier unabhängig regelbaren Wellenlängen ausgestattet werden. Dadurch lassen sich Spektrum und Intensität gezielt für den jeweiligen Versuch einstellen – zur flexiblen Optimierung unterschiedlicher Stämme, Medienzusammensetzungen und Kultivierungsstrategien, ohne die Vergleichbarkeit der parallelen Plattform zu verlieren.

xCUBIO Automatisierung für ernsthafte phototrophe Prozessentwicklung

Der Unterschied liegt nicht nur in der Reaktorhardware, sondern auch in der Automatisierung dahinter. xCUBIO bietet eine zentrale Umgebung für Prozessregelung, Visualisierung, Kalibrierung, Alarme, Trendanzeige, Datenexport und rezeptbasierten Betrieb.

Profilfunktionen und der integrierte Sequence Editor unterstützen Tag-Nacht-Strategien, dynamische Beleuchtungsprofile, Gaswechsel, zeitgesteuerte Zugaben und anspruchsvollere Prozessroutinen – ohne externe Software.

Für Labore, die phototrophe Prozessentwicklung ernsthaft betreiben, ist das entscheidend. Parallelversuche können in einer strukturierten Automatisierungsumgebung geplant, durchgeführt, dokumentiert und erweitert werden – statt aus voneinander getrennten Laborkomponenten zusammengesetzt zu werden.

Für Scale-up-relevante tubulare Prozessentwicklung entwickelt

xCUBIO phar tubular ist für Kultivierung und Prozessentwicklung im Labormaßstab ausgelegt – unter Bedingungen, die bereits deutlich relevanter für ein späteres tubulares Scale-up sind.

Durch die Integration zentraler Funktionselemente größerer tubularer Photobioreaktoren – insbesondere des Rohrkreislaufs aus Borosilikatglas und der kontinuierlichen Rezirkulation – entsteht eine repräsentativere Prozessumgebung als bei konventionellen phototrophen Systemen im kleinen Maßstab.

So lassen sich Labordaten erzeugen, die eine bessere Aussagekraft für den Transfer in größere tubulare Reaktorkonzepte haben.

Glasspirale und zentrales Prozessgefäß in einer integrierten Einheit

Die Kultivierungseinheit kombiniert eine tubulare Glasspirale als zentralen beleuchteten Zirkulationsbereich mit einem doppelwandigen Prozessgefäß, das als Entgasungs-, Sensor- und Prozessschnittstelle dient.

Die Glasspirale bildet einen repräsentativen tubularen Reaktorabschnitt für die Entwicklungsarbeit, während das zentrale Gefäß die praktischen Prozessfunktionen für Begasung, Sensorintegration, Medienzugabe und geregelten Betrieb bereitstellt.

Zusammen bilden diese beiden Elemente ein kompaktes Laborsystem mit einer deutlich realistischeren tubularen Reaktorlogik.

Beleuchtung, Rezirkulation und Prozesskontrolle als gemeinsames Konzept

xCUBIO phar tubular ist nicht einfach ein kleiner tubularer Reaktor mit Beleuchtung. Das System ist als integrierte Entwicklungsplattform aufgebaut, in der Beleuchtung, Rezirkulation, Temperaturregelung und Prozesshandling als zusammenhängendes Kultivierungskonzept arbeiten.

Das ist besonders wichtig in der phototrophen Prozessentwicklung, weil die Leistungsfähigkeit eines Reaktors nicht von einem einzelnen Merkmal bestimmt wird, sondern vom Zusammenspiel aus Lichteintrag, tubularer Zirkulation, Gasaustausch und kontrollierten Prozessbedingungen.

Durch die Kombination dieser Elemente in einer Plattform im Labormaßstab unterstützt das System aussagekräftigere Entwicklungsarbeit für den späteren Transfer in tubulare Reaktoren.

Brücke vom Screening zu tubularen Systemen im Pilotmaßstab

Parallele Screening-Systeme sind sehr hilfreich, um Stämme, Bedingungen und grundlegende Prozessrichtungen zu vergleichen. Wenn jedoch beurteilt werden soll, wie sich ein Prozess in einem wirklich tubularen Reaktorkonzept verhält, wird eine repräsentativere Entwicklungsplattform benötigt.

Genau hier setzt xCUBIO phar tubular an. Das System schafft einen praxisnahen Zwischenschritt zwischen frühem phototrophem Screening und größeren tubularen Systemen im Pilotmaßstab.

So hilft es, die Lücke zwischen ersten Machbarkeitsuntersuchungen und späteren Scale-up-Entscheidungen zu verkleinern, indem tubulares Prozessverhalten früher und unter relevanteren Entwicklungsbedingungen bewertet werden kann.

Für tubulare Prozessentwicklung im Pilotmaßstab und kleine Produktionschargen entwickelt

xCUBIO phar in-situ ist als hochwertige tubulare Photobioreaktor-Plattform im Pilotmaßstab für die Kultivierung und Prozessentwicklung phototropher Mikroorganismen unter kontrollierten und gut reproduzierbaren Bedingungen ausgelegt.

Durch die Kombination zentraler Funktionsprinzipien größerer tubularer Photobioreaktoren in einem laborzugänglichen Format entsteht eine Prozessumgebung, die deutlich näher am späteren Scale-up liegt als kleine Benchtop-Photobioreaktoren oder sehr kleine beleuchtete Laborsysteme.

Modulare beleuchtete Volumina vom kompakten Pilotmaßstab bis zu kleinen Produktionsansätzen

Die Plattform basiert auf einem modularen Konzept mit einem beleuchteten Kultivierungsmodul als Standard und einem optionalen zweiten Modul für erweiterte Anwendungen.

In der Ausführung 30 l / 55 l wächst das Arbeitsvolumen zum Beispiel von ca. 30 l auf ca. 55 l.

In der größeren Ausführung 100 l / 175 l lässt sich das System von ca. 100 l auf ca. 175 l erweitern, während Reaktorgeometrie, hydraulisches Prinzip und grundlegende Prozesslogik gleich bleiben. So deckt eine Plattform verschiedene Entwicklungsstufen ab – von kompakten Pilotstudien bis zu größeren Kultivierungskampagnen mit bis zu 500 L.

Zentrales Prozessgefäß und definierte tubulare Rezirkulation

Im Zentrum des Reaktorkonzepts steht ein separates Prozess- und Entgasungsgefäß, das den funktionalen Kern des Systems bildet.

Es stellt den definierten Ort für Entgasung, Gaseintrag, Sensorintegration, Medienzugabe, Probenahme und Ernte bereit, während die tubularen Kultivierungsmodule die zentrale beleuchtete Produktionszone bilden. Die Kulturzirkulation erfolgt über eine separate externe Pumpe und erzeugt eine kontinuierliche Rezirkulation durch die tubularen Module und das zentrale Gefäß.

Diese Trennung der Funktionen ist ein charakteristisches Merkmal fortgeschrittener tubularer Photobioreaktorkonzepte. Sie unterstützt reproduzierbare hydraulische Bedingungen, eine zuverlässige Suspension der Kultur und Prozessuntersuchungen unter Strömungsbedingungen, die bereits eine hohe Relevanz für das Scale-up haben.

Vom kontrollierten Pilotbetrieb bis zur integrierten SIP-Fähigkeit

xCUBIO phar in-situ geht über das Niveau eines klassischen Forschungs-Photobioreaktors hinaus. Je nach Ausführung kann die Plattform für chemische Reinigung und Sanitisierung oder als vollständig dampfsterilisierbares In-situ-System konfiguriert werden.

In der größeren Pilot-Scale-Ausführung umfasst dies ein integriertes Temperierungskonzept für kontrollierte Kultivierung ebenso wie für dampfsterilisierbaren Betrieb. Damit ist das System besonders interessant für Anwendungen mit erhöhten Anforderungen an Sterilität, Prozessrobustheit und regulierten Betrieb.

Zusammen mit flexiblen Beleuchtungskonzepten und hochwertiger xCUBIO Automatisierung entsteht eine leistungsfähige Pilotplattform für fortgeschrittene phototrophe Prozessentwicklung.

Entwickelt für den Schritt über Forschung und Pilotentwicklung hinaus

Große tubulare Photobioreaktorsysteme sind nicht einfach hochskalierte Laboreinheiten. Sie erfordern ein anderes Niveau an Engineering, Layoutplanung und Prozessintegration.

bbi-biotech unterstützt diesen Schritt mit projektspezifischen tubularen Systemen für Pilotbetrieb, Scale-up-Arbeiten und produktionsorientierte phototrophe Prozesse in größeren Betriebsumgebungen.

Modulare tubulare Layouts für Gewächshaus- und Außenkultivierung

Je nach Projektanforderung können größere Systeme als modulare tubulare Layouts für den Betrieb im Gewächshaus oder im Außenbereich ausgelegt werden.

So lassen sich Reaktorgeometrie, Aufstellfläche, Zugänglichkeit und betriebliche Integration an Kultivierungsstrategie und Standortbedingungen anpassen – statt das Projekt in ein starres Standardformat zu zwingen.

Projektspezifisches Systemdesign für den Produktionsbetrieb

In diesem Maßstabsbereich verschiebt sich der Fokus von experimenteller Flexibilität hin zu robustem, produktionsorientiertem Systemdesign.

Wichtige Faktoren sind hydraulisches Layout, Rezirkulationskonzept, Komponentenqualität, Reinigbarkeit, Servicezugang und die Auswahl langlebiger industrietauglicher Komponenten für den langfristigen Betrieb.

Vom Prozesstransfer zur Pilot- und Produktionsplanung

Der Nutzen größerer tubularer Systeme beginnt nicht erst mit der Fertigung.

bbi-biotech kann den Transfer aus früheren tubularen Entwicklungsstufen in die Pilot- und Produktionsplanung unterstützen – durch die Definition geeigneter Systemkonzepte, Betriebslogiken und projektspezifischer Anforderungen für die Umsetzung in größerem Maßstab.

Beleuchtungskonzepte rund um den phototrophen Prozess

In der phototrophen Kultivierung ist Beleuchtung keine Nebenfunktion, sondern eine der zentralen Prozessgrößen. Mit xCUBIO phar lässt sich das Beleuchtungskonzept deutlich gezielter konfigurieren.

• Standard-LED-Pakete für definierte und reproduzierbare Grundkonfigurationen
• Kundenspezifische LED-Konzepte mit anwendungsspezifischen Wellenlängen
• Anpassung der Wellenlängen auch außerhalb klassischer Algenbereiche möglich, einschließlich UV oder IR
• Separat regelbare Lichtkanäle mit einstellbarer spektraler Zusammensetzung und Intensität
• Leuchtstoffröhrensysteme ebenfalls möglich

CO₂-Versorgung und Monitoring für phototrophe Prozesse

In der Algenkultivierung ist die CO₂-Versorgung eine zentrale Prozessfunktion – nicht nur eine zusätzliche Gasoption. xCUBIO Photobioreaktoren können für eine gezielte Kohlenstoffversorgung und CO₂-bezogenes Prozessmonitoring konfiguriert werden.

• Präzise CO₂-Dosierung über Mass-Flow-Controller
• Gaskonzepte an Prozess und Systemarchitektur anpassbar
• Mehrere CO₂-Einspeisepunkte in größeren Systemkonzepten möglich
• CO₂-Monitoring im Abgas, zum Beispiel mit Sensoren von BlueSens
• Inline-CO₂-Sonden, einschließlich Lösungen von Hamilton oder Mettler-Toledo

Optische Dichte für ein tieferes Prozessverständnis

Für viele Algenprozesse ist die optische Dichte einer der aussagekräftigsten Zusatzparameter, um die Biomasseentwicklung zu verstehen und das Kulturverhalten aktiver in Prozessentscheidungen einzubeziehen.

• Lösungen zur Messung der optischen Dichte lassen sich abhängig von Prozesskonzept und Instrumentierungsstrategie integrieren
• Lösungen von Anbietern wie Optek, Hamilton oder anderen Herstellern
• Sinnvoll für Ernte, Fed-Batch-Strategien und andere biomassebezogene Betriebslogiken

Flexible Systemarchitektur für sich entwickelnde Anforderungen

Nicht jedes phototrophe Projekt benötigt sofort die maximale Konfiguration. xCUBIO Photobioreaktoren basieren auf einer toolboxartigen Architektur, mit der sich technische Tiefe sinnvoll an Projektumfang und Budget anpassen lässt.

• Toolboxartige Systemarchitektur statt starrem Festpaket
• Einfachere Definition eines sinnvollen Gleichgewichts zwischen benötigten Funktionen und Investitionsniveau
• Kompaktere Startkonfigurationen möglich, wenn sinnvoll
• Weitere Funktionen und Erweiterungen können später ergänzt werden, wenn die Anforderungen wachsen