Dosiertechnik im Mini-Format

FIRMEN BERICHTEN
B-drop – vom Mikrotropfen zum Durchfluss
Dosiertechnik im Mini-Format
Mit dem Dosiersystem B-drop, das an der Fachhochschule in Burgdorf entwickelt wurde, können Bioprozesse
verkleinert und vereinfacht werden. Beim vorliegenden Ansatz, der aus der Drucktechnologie stammt, werden
die Flüssigkeitstropfen von einem elektromagnetischen Mikroventil dosiert. Neu daran ist, dass die Ventile durch
ihren sehr einfachen Aufbau als Einwegprodukt verwendet werden können. Weiter übernimmt ein integrierter
Durchflusssensor die bisher aufwändige Kalibrierung, was die Installation stark vereinfacht.
Bilder und Grafiken: ReseaTech GmbH
Die bei Kultivierungsversuchen benötigte
kontinuierliche Dosierung wird durch Zugabe von Mikrotropfen in regelmässigen
Abständen erzeugt. Das B-drop System
wurde so ausgelegt, dass nicht die Tropfengrösse, sondern die Taktfrequenz variiert wird, um die Dosierrate zu verändern.
Auf diese Weise sind auch exponentielle
Dosierstrategien, die dem Wachstum der
Mikroorganismen folgen, kein Problem.
Besonders innovativ ist die integrierte
Durchflussmessung, die sowohl Tropfenvolumen, wie auch Druck und Viskosität
erkennt. Dadurch kann auf Druckregler
und Kalibrierung der Flüssigkeiten verzichtet werden.
Geeignet für Anwendung mit
Zellkulturen
Abbildung 1: B-drop montiert auf einem MiniBio Bioreaktor von Applikon Biotechnology B.V.
1
2
Simon Zumbrunnen , Dieter Eibl , 3
Nina Steiger
B-drop
Microvalve
Pumpe
2500
2300
700
Laufende Kosten pro Kultivierung
100
-
10
Materialkosten pro Kultivierung
(bei 100 Kultivierungen)
125
23
17
Kalibrierung und Reinigung
(Stundenansatz CHF 100.-)
-
150
100
Kosten total pro Kultivierung
125
173
117
Anschaffungskosten
Das Ventil ist so konstruiert, dass im geöffneten Zustand ein Durchfluss von 10
bis 15 ml/min entsteht. Um kleine Mengen zu dosieren, wird das Ventil nur wenige Millisekunden geöffnet. So entstehen
Tropfen im Bereich von 1 µl.
Simon Zumbrunnen, ReseaTech GmbH,
Burgdorf; 2 Prof. Dieter Eibl, Leiter Biotechnologie, Institut für Biotechnologie, ZHAW,
Wädenswil; 3 Nina Steiger, ReseaChem
GmbH, Burgdorf.
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Die Dosiereinheit B-drop wurde an der
ZHAW im Institut für Biotechnologie in
Wädenswil für mehrere FedBatch Kultivierungen mit CHO Zellen (abgekürzt
von engl. «Chinese Hamster Ovary») eingesetzt. Die Kultivierungen wurden in
zwei MiniBio 500 Bioreaktoren von Ap-
Tabelle 1: Kostenaufstellung in CHF der Dosiersysteme B-drop, Microvalve und der Peristaltikpumpe. Die Kosten pro Kultivierung ergeben sich aus 100 Kultivierungen. Die Dampfsterilisation ist in der Kalkulation nicht enthalten.
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LÖSUNGSANBIETER FÜR
ANALYTISCHE
LABORS
Abbildung 2: Schlauchquetschpumpe, Microvalve und B-drop.
plikon Biotechnology B.V. durchgeführt.
Nach der Gammasterilisierung wurden
die B-drop Ventile im Laminar Flow
aseptisch auf dem Reaktordeckel des autoklavierten MiniBio 500 angebracht und
mit einer sterilen Feed-Flasche über einen Luer-Lock Adapter verbunden. Danach wurde der B-drop an die zugehörige Steuereinheit angeschlossen und mittels Prime-Funktion die Schlauchverbindung von der Feed-Flasche zum Reaktor
gefüllt.
«Im Gegensatz zu einer Pumpe oder
einem autoklavierbaren Dosierventil
benötigt der B-drop keine Kalibrierung, was eine enorme Zeitersparnis
mit sich bringt.»
Nina Steiger
Die Kultivierung wurde am Tag 0 mit
200 ml (50 % des Totalvolumens) Kulturvolumen gestartet. Die Zugabe von
ChoMaster HP-1 Medium über den
Kundenservice ist
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(410 m
Abbildung 3: Vergleich von Zelldichten und Vitalitäten in drei CHO FedBatch Kultivierungen.
Die Zugabe erfolgte mittels B-drop (–•–), mittels Microvalve von Applikon (– o–) und Peristaltikpumpe ( o ). Abgebildet sind die gemessenen Werte inklusive Standardabweichung. Die
graue Markierung zeigt die Phase in welcher Medium zum Prozess zudosiert wurde.
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B-drop erfolgte ab Tag 1 mit einem linearen Zufluss von 2,7 ml/h während drei
Tagen bis zum Erreichen des Totalvolumens von 400 ml. Die Kultivierungen
wurden nach einem weiteren Tag ohne
Medienzugabe planmässig beendet. Mit
regelmässigen mikroskopischen Kontrollen der Zellsuspension wurde zudem die
Sterilität des Ventils über den gesamten
Kultivierungszeitraum von fünf Tagen
überprüft.
Um die Resultate der Kultivierungen zu
beurteilen, wurden weitere FedBatch
Versuche mit CHO Zellen im Bioreaktor
durchgeführt. Abgesehen von unterschiedlichen Dosiersystemen wurden die
Prozesse identisch durchgeführt. Die Zugabe des Mediums erfolgte einerseits
über eine Pumpe (Abbildung 2), (Medienzugaben über Systemintegrierte Peristaltikpumpen entsprechen dem State-ofthe-Art in biotechnologischen Prozessen), anderseits wurde das autoklavierbare Dosierventil Microvalve verwendet,
Abbildung 4: Arbeitsschritte verbunden mit den einzelnen Dosiersystemen B-drop, mittels Microvalve von Applikon und Peristaltikpumpe.
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welches von Applikon Biotechnology B.V. vertrieben wird und in
der my-Control integriert werden kann.
Resultate und Diskussion
Die Zelldichten und Vitalitäten der drei durchgeführten FedBatch
Kultivierungen sind gut miteinander vergleichbar (Abbildung 3). Es
wurden bei allen Kultivierungen maximale Zelldichten zwischen
4,27 und 4,7*106 Zellen ml -1 bei Vitalitäten über 90 % erzielt. Die
Medienzugabe erfolgte jeweils zwischen Tag 1 und Tag 4 der Kultivierung.
Basierend auf den erhobenen Daten, konnte zwischen den unterschiedlichen Dosiervarianten kein Unterschied festgestellt werden.
Mit allen drei Methoden wurden vergleichbare Zelldichten und Vitalitäten erzielt. Die Sterilität des Systems konnte während der gesamten Versuchsdauer von 5 Tagen nachgewiesen werden.
Um die Unterschiede im Nutzen des B-drops im Vergleich zu den
beiden weiteren Dosiersystemen zu veranschaulichen, wurden in
Abbildung 4 die Arbeitsschritte in Verbindung mit den einzelnen
Dosiersystemen dargestellt. Es ist zu erkennen, dass bei der Anwendung des B-drops wesentlich weniger Arbeitsaufwand entsteht als mit dem Microvalve oder der Peristaltikpumpe. Pro Kultivierung können rund eine bis eineinhalb Stunden Arbeitszeit eingespart werden.
In Tabelle 1 sind die Kosten der einzelnen Dosiersysteme in
Schweizer Franken aufgeführt. Die Materialkosten pro Kultivierung
ergeben sich basierend auf 100 durchgeführten Kultivierungen.
Wird mit einer Pumpe gearbeitet, fallen für das Dosiersystem pro
Kultivierung Materialkosten von 17 CHF.– an. Im Falle des Microvalves sind es CHF 23.– und im Fall des B-drops sind es
CHF 125.–. Wird jedoch der Mehraufwand für Kalibrierung und
Reinigung, bei einem Stundenansatz von CHF 100.– berücksichtigt, ergeben sich mit der Pumpe CHF 117.–, mit dem B-drop
CHF 130.– und mit dem Microvalve 173.–. Die Pumpe ist noch
immer das günstigste System, ist jedoch im Dosiervolumen beschränkt. Der B-drop ist nur unwesentlich teurer, bringt jedoch
grosse Vorteile in der Dosierung von Kleinstmengen.
Mikroventile könnten noch kleiner
Die im Experiment verwendeten Dosierraten von 2,7 ml/h entsprachen der kleinstmöglichen kontinuierlichen Dosierrate der eingesetzten Peristaltikpumpe. Für die beiden Mikroventile Microvalve
und B-drop sind hingegen Mengen von 0,01 ml/h kein Problem.
Quelle 1: Preis für Pumpe und Microvalve zu Minibio: Applikon
Biotechnology B.V. 2015.
Kontakt
ReseaTech GmbH
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CH-3400 Burgdorf
Telefon +41 (0)34 424 03 10
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