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bioREACTORHochdurchsatz-Bioprozessentwicklung im Millilitermaßstab

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2mag bioREACTORHochdurchsatz-Bioprozessentwicklung im Millilitermaßstab

bioREACTORDer 2mag bioREACTOR ist ein neu entwickelter, extrem platzsparender und benutzerfreundlicher Bioreaktorblock mit bis zu 48 parallelisierten Minireaktoren.

Die hohe Parallelisierung ermöglicht eine einfache Realisier-barkeit von Hochdurchsatz-Fermentationen im Bereich der Biotechnologie, Chemie und Pharmazie. Dadurch können so-wohl Entwicklungszeiten als auch Entwicklungskosten für neue Produktionsprozesse deutlich reduziert werden. Die Miniaturi-sierung in den niedrigen Milliliter-Maßstab (8-15 ml) gewähr-leistet zudem eine signifikante Material- und Kostenersparnis.

Der 2mag bioREACTOR zeichnet sich besonders durch die prä-zise Temperaturregelung, den exakt kontrollierbaren Drehzahl-bereich mit automatischem Rührstabüberwachung sowie der nicht-invasiven Echtzeitmessung von pH und Gelöstsauerstoff (DO) aus. Die Begasung und Durchmischung der einzelnen Reaktionsgefäße erfolgt durch gasinduzierende, induktiv an-getriebene Magnetrührorgane. Die sterile Kopfraumbegasung verhindert Kreuz- und Fremdkontaminationen und ermöglicht die Kultivierung von aeroben sowie anaeroben Mikroorganis-men.

Präzise definierte verfahrenstechnische Parameter und der zu klassischen Rührkesselreaktoren vergleichbare Leistungs- und Sauerstoffeintrag (kLa > 0,4 s-1) gewährleisten eine einfache und zugleich zuverlässige Skalierung der Ergebnisse.Neben dem Betrieb als Einzelgerät (Stand-Alone) kann der bioREACTOR 48 zudem auch vollautomatisiert durch Integration in einen Pipettierroboter betrieben werden.

• Hohe Parallelisierung• Präzise Temperaturregelung• Optimales Arbeitsvolumen• Nicht-invasive Echtzeitmessung von pH und DO• Einfaches Handling durch Disposables• Hoher Sauerstoffeintrag• Rührstabüberwachung• Intelligente Software für den Parallelbetrieb mehrerer bioREACTOR Einheiten• Autoklavierbarkeit und Sterilität • Einfache Skalierbarkeit in den Litermaßstab• Automatisierbar• Hohe parallele und sequentielle Reproduzierbarkeit

Vorteile

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bioREACTORDer 2mag bioREACTOR zeichnet sich durch eine hohe Parallelisierung, eine präzise Temperaturregelung und ein optimales Arbeitsvolumen aus.

Parallelisierung

Der bioREACTOR ist in zwei Modellvarianten mit 8 oder 48 parallelen Reaktoren erhältlich. Eine noch höhere Paralleli- sierung lässt sich durch die gleichzeitige Nutzung mehrerer bioREACTOR Einheiten erzielen. Diese können über eine intelligente Zentralsoftware kontrol-liert und gemessene Prozessparameter (pH und DO) in Echtzeit abgebildet werden. Der Parallelbetrieb mehrerer bioREACTOR Einheiten ermöglicht darüber hinaus die Variation weitere Parameter, wie Rührerdrehzahl oder Temperatur.

Temperaturregelung

Die Temperatur des Bioreaktorblocks wird über einen internen Pt100 Fühler erfasst und extern über ein Thermostat geregelt. Um Verdunstungsverluste zu minimieren, wird zudem der Kopfraum der Reaktionsgefäße mit einem Rückflusskühler abgekühlt. Das verdunstete Wasser kondensiert und verbleibt somit in den Reaktionsgefäßen.

Arbeitsvolumen

Das Arbeitsvolumen der Reaktionsgefäße liegt zwischen 8 und 15 Millilitern. Dies ermöglicht eine mehrfache Probenahme ohne das Fermentationsvolumen stark zu minimieren aber auch genug Kapazität für das Zudosieren von pH-Korrektur-mitteln oder Substraten.

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bioREACTORpH und Gelöstsauerstoff können in den mit Sensorpunkten ausgestatteten Einweg-Reaktionsgefäßen während der gesamten Versuchsdauer erfasst werden.

Echtzeitmessung von pH und DO

pH und Gelöstsauerstoff können während der gesamten Ver-suchsdauer in Echtzeit über eine nicht-invasive Optosensorik erfasst werden. Hierfür sind die Reaktionsgefäße mit kleinen Sensorspots (pH- und O2-sensitiver Lumineszenzfarbstoff am Boden ausgestattet. Die Messung erfolgt fluorometrischen durch Anregung mit Licht und Messung der Abklingzeit (DLR=Dual Lifetime Referencing Prinzip, PreSens GmbH). Der Messbereich liegt für den pH zwischen 6,0 und 8,5 und für den Gelöstsauerstoff bei 0 % bis 50 % O2.

Reaktionsgefäße (Disposables)

Die mit Sensorpunkten ausgestatteten Einweggefäße sind aus Polystyrol gefertigt und im 2er Set steril verpackt. Dies ermöglicht ein zeitsparendes und einfaches Arbeiten mit dem bioREACTOR. Die spezielle Geometrie der Reaktoren mit Strömungsbrechern führt in Kombination mit den eingesetzten Rührkörpern zu einer sehr guten Durchmischung des Mediums und zu hohen Sauerstoffeinträgen.

Begasung

Die kontinuierliche Gasversorgung des bioREACTOR kann über eine Gasmischstation realisiert werden. Je nach eingesetztem Gas (O2, N2, CO2, Luft,…) sind so aerobe als auch anaerobe Kultivierungen möglich.Der Gaseintrag ins Medium und die Durchmischung der einzel-nen Reaktionsgefäße erfolgen passiv durch gasinduzierende, induktiv angetriebene Magnetrührorgane. Über die Rührer-drehzahl kann die Begasungsrate gesteuert werden.

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bioREACTORDie integrierte Rührstabüberwachung und die intelligente Software ermöglichen einen sicheren, sterilen und einfachen Betrieb des 2mag bioREACTOR.

Rührstabüberwachung

Bei sehr hohen Zelldichten oder einem hohen Anteil an Fest-stoffen im Medium kann es in seltenen Fällen dazu kommen, dass vereinzelt Rührorgane ausfallen. Dies wird innerhalb weniger Sekunden über spezielle Sensoren detektiert und ein Neustart aller Rührkörper automatisiert ausgelöst. Die Rührstabüberwachung gewährleistet somit einen sicheren Versuchsverlauf.

Intelligente Software

Die stand-alone Software ermöglicht den parallelen Betrieb mehrerer bioREACTOR 8 und/oder 48 Einheiten. Gleichzeitig können bereits abgeschlossene mit neuen laufenden Versu-chen verglichen werden.

Autoklavierbarkeit und Sterilität

Alle mit dem Medium in Kontakt kommenden Teile sind autoklavierbar oder steril verpackte Einwegmaterialien. Die Gashaube des bioREACTOR mit den fixierten Rührkörpern ist vollständig autoklavierbar. Der komplette Bioreaktorblock ist zudem mit Ethanol sterilisierbar. Die Einweg-Reaktionsgefäße sind steril verpackt und werden nach dem Versuch verworfen. Während des Versuchs verhindert die sterile Kopfraumbega-sung eine Kreuz- und/oder Fremdkontamination. Eine optional erhältliche Abgashaube kann darüber hinaus die Freisetzung von Sporen in die Umgebungsluft verhindern.

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bioREACTORDer 2mag bioREACTOR kann als Stand-Alone oder automatisiert durch Integration in einen Pipettierroboter betrieben werden. Die Versuchsergebnisse sind einfach in den Labor- und Produktionsmaßstab skalierbar.

Skalierbarkeit

Die genauestens definierte Geometrie der Rührkörper, die präzise charakterisierten verfahrenstechnische Parameter sowie der zu klassischen Rührkesselreaktoren vergleichbare Leistungs- und Sauerstoffeintrag (kLa > 0,4 s-1) durch die Magnetrührkörper ermöglichen eine einfache Skalierung der Ergebnisse in den Labor- und Produktionsmaßstab.

Automatisation

Der bioREACTOR kann als Desktopgerät (Stand-Alone) oder vollautomatisiert durch Integration in einen Pipettierroboter betrieben werden. Die Integration ermöglicht eine Kontrolle des pH, Zugabe von Substrat sowie Probenahme aus den Reaktionsgefäßen. Damit können Feeding-Strategien unter-sucht werden, eine OD Messung (atline) erfolgen oder Probe für weitere Versuche entnommen werden.

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Lieferumfang

bioREACTOR mit Steuergerät bioREACTORcontrol Zubehör (Montagewerkzeug, steriBOX)PreSens Sensorriegel für nicht-invasive pH- und DO-MessungStand-Alone Software

Peripheriegeräte wie Thermostate, Rückflusskühler und Gasmischstationen auf Anfrage!

2 Jahre Gewährleistung auf Material- und Fabrikationsfehler.Technische Änderungen vorbehalten. Für Druck- und Schreibfehler keine Haftung.

Typ bioREACTOR 48 bioREACTOR 8Rührstellen 48 8Rührstellenabstand 35 mmWerkstoff Block Aluminium, hard-coatedMaße (BxTxH) 240 x 340 x 145 mm 66 x 340 x 145 mmVersandgewicht (brutto) ca. 16 kg ca. 3,7 kgAnschlußwert 230 V / 100 W 230 V / 50 WSchutzart IP31ReaktionsgefäßeArbeitsvolumen 8 - 15 mlMaterial Polystyrol (PS)TemperaturZul. Betriebstemperatur +10 °C bis +65 °C (bei 80% Luftfeuchte)DurchmischungRührer gasinduzierende MagnetrührkörperDrehzahlbereich 100 - 4.000 rpmBegasungBegasungsrate 4,8 l/min 0,8 l/minEchtzeitmessungpH-Bereich 6,0 - 8,5DO-Bereich 0 - 50 % O2

Ansprechzeit (ph/DO) < 30 s (bei 15 - 45°C)Bestell-Nr. B70048 B70008

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bioREACTORDer bioREACTOR wurde auf Grund seiner Vielseitigkeit bereits in der Entwicklung verschiedenster biotechnologischer Prozesse eingesetzt. Um weitere Prozesse realisieren zu können wird der 2mag bioREACTOR stetig weiterentwickelt.

Applikationen

• Aerobe und anaerobe Kultivierung von Bakterien, Hefen und Pilzen• Evaluierung geeigneter Produktionsstämme (Stammentwicklung)• Medienscreening und -optimierung• Optimierung der Prozessführung (manuelles Satzverfahren oder automatisiertes Satzverfahren sowie Zulaufverfahren durch Integration in Pipettierroboter)• Wachstumsuntersuchungen• Gen- und Proteinexpressionsstudien• Viabilitätstests• Inhibierungs- und Toxizitätsuntersuchungen• Enzymassays• Qualitätskontrolle• Auch für chemische und enzymatische Reaktionen einsetzbar

Applikationsbeispiele

• Vitamin B2 Produktion mit Bacillus subtilis [1]• Enzymatische Hydrolyse von Pflanzenmaterialien [2]• Herstellung des Biokraftstoffs Butanol mit Clostridium acetobutylicum [3]• Herstellung eines Antimykotikums mit Streptomyces tendae [4]• Essigsäureproduktion aus Synthesegas mit Acetobacterium woodii [5]• Feeding-Strategien für Saccharomyces cerevsiae [6]• Hydroxyisobuttersäureherstellung mit Cupriavidus necator [7]• Fluxomanalysen von Escherichia coli Mutanten [8]

Literatur[1] Vester A, Hans M, Hohmann P, Weuster-Botz D (2009): Discrimination of riboflavin producing Bacillus subtilis strains based on their fed-batch process performances on a millilitre scale. Appl Microbiol Biotechnol 84: 71-76

[2] Riedlberger P, Weuster-Botz D (2012): New miniature stirred-tank bioreactors for parallel study of enzymatic biomass hydrolysis. Bioresource Technol 106: 138-146

[3] Schmidt M, Weuster-Botz D (2012): Reaction engineering studies of acetone-butanol- ethanol fermentation with Clostridium acetobutylicum. Biotechnol J 7: 656-661

[4] Hortsch R, Krispin H, Weuster-Botz D (2010): Process performance of parallel bioreactors for batch cultivation of Streptomyces tendae. Bioproc Biosys Eng, 34: 297-304

[5] Demler M, Weuster-Botz D (2011): Reaction engineering analysis of hydrogenotrophic production of acetic acid by Acetobacterium woodii. Biotechnol Bioeng 108: 470-474

[6] Gebhardt G, Hortsch R, Kaufmann K, Arnold M, Weuster-Botz D (2011): A new microfluidic concept for parallel operated milliliter-scale stirred tank bioreactors. Biotechnol Prog Vol. 27, No. 3.

[7] Höfel T, Wittmann E, Reinecke L, Weuster-Botz D (2010): Reaction engineering studies for the production of 2-hydroxyisobutyric acid with recombinant Cupriavidus necator H16. Appl Microbiol Biotechnol 88: 477-484.

[8] Heux S, Poinot J, Massou S, Sokol S, Portais JC (2014): A novel platform for automated high-throughput fluxome profiling of metabolic variants. Metabolic Engineering 25:8-19.

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