Nutzvolumen, Organismus, Sauerstoff, Automatisierung und Validierung: Die fünf Fragen, die Ihnen bei der Auswahl des richtigen Bioreaktors oder Fermenters für Ihren Prozess helfen.
Wenn wir die Angebote für einen Bioreaktor vergleichen, ist das Nennvolumen meist die Angabe, die am meisten ins Auge fällt. Allerdings ist es der Faktor, der den Erfolg eines Projekts am wenigsten beeinflusst.
Eine gut ausgewählte Anlage lässt sich anhand von fünf Kriterien definieren: Wie viel Nutzvolumen benötigen Sie, welche Organismen züchten Sie, wie hoch ist der Sauerstoffbedarf Ihrer Kultur, welchen Grad an Kontrolle benötigen Sie und welche Validierung verlangt Ihre Branche?
Bei der Techmi Group stellen wir Bioreaktoren und Fermenter mit einem Fassungsvermögen von 0,25 l bis 30.000 l her. In diesem Artikel gehen wir auf die fünf Fragen ein und zeigen auf, welches Gerät aus unserem Sortiment jeweils die passende Lösung bietet. Vom Labor bis zur Industrieanlage.
1. Wie hoch ist dein tatsächliches Arbeitsvolumen und in welcher Skalierungsphase befindest du dich?
Das Nennvolumen eines Tanks entspricht nicht dem Nutzvolumen. Schaum, Belüftung und der Kopfraum schränken die Menge des Mediums ein, die Sie einfüllen können. Der Techmi Bio 500 arbeitet mit einem Volumen zwischen 200 und 400 l; der Techmi Bio 1000 zwischen 800 und 900 l; und Feststofffermenter werden zu 30 % bis 50 % befüllt. Legen Sie die Dimensionierung immer anhand des Arbeitsvolumens fest.
Der zweite Teil der Frage lautet: An welcher Stelle der Skalierungskette befindest du dich, denn jede Phase erfordert ein anderes Team:
- Entwicklung und Labor (0,25 bis 10 l). Das Techmi Bio Lab mit Glasbehälter ist der Ausgangspunkt. Wenn Sie Bedingungen vergleichen müssen, ermöglicht die Version mit zwei Behältern den parallelen oder getrennten Betrieb von zwei Kulturen, und die Station mit mehreren Gefäßen erlaubt das Screening von Stämmen sowie die Optimierung von Nährmedien mit unabhängiger Steuerung jedes einzelnen Gefäßes.
- Pilotmaßstab (20, 30 und 50 l). Der Techmi Bio Pilot und der Techmi Bio Pharma aus Edelstahl 316L simulieren Fermentationsprozesse unter Bedingungen, die denen in der industriellen Produktion nahekommen. Dies ist der erste Schritt in einer Skalierungsreihe.
- Kleine bis mittlere Produktionsmengen (500 bis 1.000 l). Sie eignen sich sowohl für die Produktion als auch als Zwischenschritt auf dem Weg zu größeren Mengen. Der Bio 1000 ist in einer Dual-Version mit zwei Gärbehältern erhältlich.
- Industrielle Produktion (bis zu 30.000 l). Der industrielle Fermenter Techmi Bio 30.000 l wird individuell auf den jeweiligen Prozess zugeschnitten.
Labor → Pilotanlage → Industrielle Produktion
Wenn Ihr Prozess skaliert werden soll, ist es ratsam, die gesamte Kette von Anfang an festzulegen. Eine Skalierungsanlage für die Fermentation umfasst Fermenter mit einem Fassungsvermögen von 20 bis 30.000 Litern, sodass jede Stufe so ausgelegt ist, dass sie die nächste versorgt, und keine Neugestaltung zwischen den einzelnen Stufen erforderlich ist. Wenn Sie mehr darüber erfahren möchten, lesen Sie unseren Artikel „Warum ist die Wahl des richtigen Bioreaktors für die Zukunft Ihrer Bioprozesse so wichtig?
2. Welchen Organismus züchtest du und welche Anforderungen stellt dies an die Ausrüstung?
Bakterien, Hefen, Fadenpilze oder einzelne Zellen stellen unterschiedliche Anforderungen. Die Viskosität der Kulturflüssigkeit, die Scherempfindlichkeit und die Neigung zur Schaumbildung bestimmen die Art des Rührvorgangs, die Abdichtung und die Strategie zur Schaumunterdrückung.
So wird das Techmi Bio Lab beispielsweise zur Kultivierung von Mikroorganismen wie Bacillus subtilis, Trichoderma harzianum, Bradyrhizobium japonicum oder Rhizobium phaseoli genutzt, die in Enzymen, Bio-Rohstoffen und Biodüngern zum Einsatz kommen.
Folgende Gestaltungsentscheidungen variieren je nach Organisation:
- Material des Behälters: Glas mit ovalem Boden und Wassermantel im Labor (0,25 bis 10 l); Edelstahl 316L ab 20 l.
- Rührsystem. Das Bio Lab rührt mit einer Drehzahl zwischen 50 und 2.000 U/min und einer Genauigkeit von ±1 U/min. Bei den Geräten mit einem Fassungsvermögen von 20 bis 50 Litern können Sie zwischen einem direkten Antrieb von oben oder einer Magnetkupplung von unten wählen, wodurch vermieden wird, dass die Welle die Behälterwand durchdringt: ein Vorteil, wenn die Kultivierungsdauer lang ist und das Kontaminationsrisiko so gering wie möglich gehalten werden muss.
- Art der Fermentation. Wenn dein Organismus auf einem festen Substrat besser wächst als in einem flüssigen Medium, benötigst du einen anderen Reaktortyp.
Für die Feststofffermentation ist der Techmi Bio Fes FSS ein horizontaler Trommelfermenter mit internen Rührflügeln für axialen und radialen Durchfluss, der sich mit einem umkehrbaren Motor mit einer Drehzahl zwischen 0 und 22 U/min dreht. Er regelt Temperatur, Rührgeschwindigkeit und Feuchtigkeit, ist aus Edelstahl 316L gefertigt und wird in Größen von 10 bis 1.000 l sowie in Sonderanfertigungen angeboten. Er ist die ideale Wahl für die Sporenbildung von Trichoderma, Enzymen, Probiotika und Biodüngern auf Getreide, Getreideschalen oder anderen landwirtschaftlichen Reststoffen.
Die entscheidende Frage ist ganz einfach: Wird dein Organismus im Flüssigkulturmedium oder auf Feststoffkultursubstrat gezüchtet? Davon hängt ab, welche Gerätefamilie du in Betracht ziehen solltest.
3. Wie viel Sauerstoff benötigt deine Kultur bei Spitzenbedarf?
Der Sauerstofftransfer ist der häufigste Engpass, wenn ein aerober Prozess vom Labor in die Anlage überführt wird. Die Geschwindigkeit, mit der du der Kultur gelösten Sauerstoff zuführen kannst, lässt sich wie folgt ausdrücken:
OTR = kLa · (C* – CL)
Dabei ist C* die Löslichkeit von Sauerstoff unter den Betriebsbedingungen und CL die Konzentration des gelösten Sauerstoffs in der Brühe. Der Koeffizient kLa hängt von der Durchmischung, dem Luftdurchsatz, dem Druck, der Tankgeometrie und den Eigenschaften des Mediums ab.
Die Anlage muss nicht den durchschnittlichen Bedarf der Kultur decken, sondern den Spitzenbedarf, der in der Regel am Ende der exponentiellen Phase oder während der Fed-Batch-Zufuhr auftritt.
Bei der Bewertung eines Bioreaktors sollten Sie drei Dinge prüfen:
- Drehzahlbereich. Unsere Skalierungsanlagen decken je nach Tankgröße einen Bereich von 50 bis 1.000 U/min ab, und das Bio Lab erreicht im Labor bis zu 2.000 U/min.
- Betriebsdruck. Bei Großfermentern ist er auf bis zu 3 bar einstellbar, was die Löslichkeit von Sauerstoff erhöht.
- Regelung des Gehalts an gelöstem Sauerstoff (DO). Die Skalierungsanlagen regeln diesen Wert im Bereich von 0 bis 100 % mit einer Genauigkeit von ±0,1 %.
Fragen Sie den Hersteller stets nach dem maximalen OTR-Wert oder dem kLa-Wert der Anlage unter Ihren Prozessbedingungen und führen Sie vor der Skalierung Messungen im kleinen Maßstab durch. Das Doppeltank-Bio-Labor ist unter anderem für Untersuchungen zur Kinetik, zum Sauerstofftransfer (kLa) und zur Skalierung konzipiert, sodass Sie die Ausgangsdaten ermitteln können, bevor Sie sich für die Größe der endgültigen Anlage entscheiden.
4. Welchen Automatisierungsgrad benötigst du?
Automatisierung ist kein Luxus: Sie bestimmt die Reproduzierbarkeit zwischen den Chargen und den manuellen Arbeitsaufwand, den jede Fermentation erfordert. Der angemessene Grad hängt von der jeweiligen Phase ab:
- Labor. Das Bio Lab und das Bio Lab mit zwei Tanks verfügen über eine integrierte Regelung für Temperatur, pH-Wert, gelösten Sauerstoff und Rührbewegung sowie über vier Peristaltikpumpen zur Dosierung von Säure, Base, Entschäumer und Nährmedium. Sie unterstützen Batch- und Fed-Batch-Prozesse, und ihr Farb-Touchscreen zeichnet die Daten rückverfolgbar auf. Die Mehrgefäßstation bietet eine unabhängige Steuerung pro Gefäß sowie speicherbare Prozessrezepte.
- Pilotanlage. Die Anlagen mit einem Fassungsvermögen von 20 bis 50 Litern sind mit einer Siemens-SPS mit 10-Zoll-Touchscreen, einer PID-Regelung mit automatischer Anpassung und Sollwerten in Form von Abschnitts-Kurven ausgestattet. Sie verfügen über Füllstands- und Schaumalarme mit automatischer Nachfüllung und Zugabe von Entschäumer, ein Ereignisprotokoll, Chargenberichte und eine Passwortverwaltung.
- Industrie. Die Anlagen mit einem Fassungsvermögen von 500 und 1.000 Litern verfügen über fünf Elektroden zur automatischen Steuerung, Peristaltikpumpen für den Nachschub, einen Deckel mit automatischer Hebevorrichtung und eine SPS der Serie S7-1200 von Siemens. Bei den Industrie- und Feststofffermentern kommen Fernüberwachung und maßgeschneiderte Automatisierung hinzu.
Bevor Sie sich entscheiden, beantworten Sie bitte drei Fragen: Handelt es sich bei Ihrem Prozess um einen Batch- oder einen Fed-Batch-Prozess? Benötigen Sie für ein Audit eine lückenlose Rückverfolgbarkeit der Daten jeder Charge? Und muss das Gerät in das SCADA-System oder in das Steuerungssystem Ihrer Anlage integriert werden? Eine bejahende Antwort auf die zweite oder dritte Frage bedeutet, dass Sie einen höheren Automatisierungsgrad benötigen als den, den ein einfacher Tischregler bietet.
5. Welche Validierung und Dokumentation sind in Ihrer Branche erforderlich?
Ein landwirtschaftliches Bio-Produkt wird nicht auf dieselbe Weise validiert wie ein pharmazeutischer Prozess, und die Kosten, die durch eine falsche Einstufung entstehen, zeigen sich erst am Ende des Projekts, wenn die Anlage bereits installiert ist.
Was das Design angeht, sollten folgende Punkte überprüft werden:
- Edelstahl 316L und das Fehlen von Toträumen im Tank erleichtern die Reinigung und verringern das Kontaminationsrisiko.
- Spezielle Probenahme- und Ablassventile, sowohl am Tank als auch an den Förderleitungen.
- Reinigung und Sterilisation vor Ort (CIP/SIP) in den Abfüllanlagen.
- Bau nach GMP-Standards. Techmi Bio Pharma, mit einem Fassungsvermögen von 20 bis 50 Litern, ist für Labore und Prozesse konzipiert, die GMP-konform sein müssen.
Legen Sie im Bereich Dokumentation und Qualifizierung bereits im URS – und nicht erst am Ende – fest, was Ihr Auditor oder Ihr Kunde von Ihnen verlangen wird: die Dokumentationsunterlagen für die Anlage, die Abnahmeprüfungen im Werk und vor Ort (FAT und SAT) sowie die Qualifizierungen für Installation, Betrieb und Leistung (IQ, OQ und PQ). Wenn es sich um einen pharmazeutischen Prozess handelt, prüfen Sie außerdem, wie das Kontrollsystem die Datenintegrität gewährleistet: benutzerspezifischer Zugriff mit Passwort, Ereignis- und Alarmprotokollierung sowie Rückverfolgbarkeit jeder Charge.
Fragen Sie den Hersteller stets schriftlich, welche Unterlagen er bereitstellt und welche Vorschriften für das jeweilige Gerät gelten.
Welches Gerät aus dem Sortiment passt zu welcher Phase?
Übersicht über das Angebot an Bioreaktoren und Fermentern der Techmi Group nach Größenordnung und Verwendungszweck.
| Team | Tonleiter | Hauptverwendungszweck | Steuerung und Automatisierung |
|---|---|---|---|
| Techmi Bio Lab | 0,25 bis 10 l (Glas) | Forschung und Entwicklung, Prozessentwicklung, Enzyme und Bio-Rohstoffe | Rühren mit 50 bis 2.000 U/min, vier Peristaltikpumpen, Batch- und Fedbatch-Betrieb |
| Bio Lab-Bioreaktor mit zwei Behältern | 0,25 bis 10 l | Parallele Vergleichstests, kLa-Untersuchungen und Skalierung | Temperatur ±0,1 °C, pH-Wert, Sauerstoffgehalt und Rühren, Aufzeichnung und Rückverfolgbarkeit |
| Mehrfach-Gärstation | Mehrere Gläser mit geringem Fassungsvermögen | Stamm-Screening und Optimierung von Nährmedien | Unabhängige Steuerung pro Glas, 0 bis 1.000 U/min, speicherbare Rezepte |
| Techmi Bio Pilot | 20, 30 und 50 l (316L) | Skalierung, Ermittlung von Parametern, Vermehrung des Ausgangsmaterials | Siemens-SPS, 10-Zoll-Display, PID mit automatischer Einstellung, Chargenberichte |
| Techmi Bio Pharma | 20, 30 und 50 l (316L) | Prozesse, die GMP, pharmazeutische und biotechnologische Anforderungen erfüllen müssen | Kurven nach Abschnitten, Füllstands- und Schaumalarme, Ereignisprotokollierung |
| Techmi Bio 500 | 500 l (200 bis 400 l Arbeitsvolumen) | Kleinserienfertigung und Zwischenstation für Züge | Fünf Elektroden, SPS Siemens S7-1200, Deckel mit automatischem Hub |
| Techmi Bio 1000 | 1.000 l (800 bis 900 l Arbeitsvolumen) | Kleine oder mittlere Produktion, Dual-Version mit zwei Tanks | Fünf Elektroden, SPS Siemens S7-1200, Deckel mit automatischem Hub |
| Tren de escalado | 20 bis 30.000 L | Komplette Produktionskette mit CIP/SIP | Temperatur ±0,1 °C, pH-Wert 2 bis 12 (±0,01), Sauerstoffgehalt 0 bis 100 %, bis zu 3 bar |
| Industrial 30.000 L | Bis zu 30.000 L, nach Maß | Großindustrie Produktion | Maßgeschneiderte Automatisierung und Prozessabläufe, Fernüberwachung |
| Bio Fes FSS | 10 bis 1.000 l und nach Maß (Feststoffe) | Feststofffermentation von Pilzen | Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Drehzahl (0 bis 22 U/min), SCADA und Fernüberwachung |
Checkliste für deine URS
Bevor Sie ein Angebot anfordern, überprüfen Sie bitte, ob Ihre Spezifikation die folgenden Punkte erfüllt:
- Arbeitsvolumen (nicht nominal) und Phase der Skalierungskette, in der die Ausrüstung zum Einsatz kommen soll.
- Organismus, Art der Fermentation (untergetaucht oder auf Feststoff) sowie Anforderungen hinsichtlich Rühren, Scherung und Schaumbildung.
- Spitzen-Sauerstoffbedarf (OUR) und vom Hersteller garantierte OTR- oder kLa-Werte.
- Betriebsart (Batch oder Fed-Batch), Automatisierungsgrad, Datenaufzeichnung und Integration in das SCADA-System.
- Material, hygienisches Design, CIP/SIP und geltende Vorschriften (GMP oder andere).
- Erforderliche Unterlagen und Qualifikationen: FAT, SAT, IQ, OQ und PQ.
- Erforderliche Unterlagen und Qualifikationen: FAT, SAT, IQ, OQ und PQ.
Wenn Sie diese Fragen vor der Angebotsanfrage klären, vermeiden Sie eine Überdimensionierung der Anlage, reduzieren die Anzahl der Konstruktionsiterationen und verkürzen den Weg bis zur ersten Charge.
Denn bei der Auswahl eines Bioreaktors geht es nicht darum, den größten zu wählen, sondern den, der Ihrem Prozess am besten entspricht – heute und in jedem Maßstab.
Erwägen Sie den Kauf eines Bioreaktors oder möchten Sie einen bestehenden Prozess skalieren? Unser Team kann Ihren Fall prüfen und Ihnen dabei helfen, für jede Phase die passende Lösung zu finden. Schreiben Sie uns an info@techmigroup.com oder nehmen Sie Kontakt mit uns auf.