Resistent gegen hohe Salzgehalte – Autoklavierbarer Laborfermenter ohne Edelstahl / Keine Korrosion mit Glas und PEEK als Fermenter-Werkstoffe.

Die Reaktortechnologie muss sich der zunehmenden Diversifizierung der biotechnologischen Forschung anpassen.

Das Spektrum reicht von der Nutzung extremophiler und mariner Mikroorganismen, über die Kultivierung hochempfindlicher Zellkulturen, bis hin zur Rückfaltung denaturierter Proteine.

Der neue autoklavierbare Laborfermenter von Bioengineering lässt alle Möglichkeiten zur innovativen Forschung offen, da alle Metallteile durch den Hochleistungskunststoff PEEK ersetzt wurden.

Deshalb kommt es weder zur Korrosion noch zum Ablösen von Metallspuren. Bisher hat sich die Biotechnologie hauptsächlich auf die landlebenden Mikroorganismen beschränkt.

Die marine oder blaue Biotechnologie gewinnt jedoch zunehmend an Bedeutung, da viele im Meer lebende Mikroorganismen ganz besondere Eigenschaften, die sich für die industrielle Ausbeutung eignen, aufweisen. Besonders interessant sind die Extremophilen.

Das bekannteste Beispiel für die industrielle Nutzung eines extremophilen Organismus ist die Taq DNA-Polymerase aus Thermus aquaticus. Andere mögliche Anwendungen für thermophile Organismen, ihre Proteine und Stoffwechselprodukte finden sich in der Backwaren-, Papier- und Waschpulverindustrie.

Halophile Organismen produzieren interessante Lipide für Drug-Delivery Systeme oder Kosmetika. Ihr Bakteriorhodopsin könnte für die Konstruktion optischer Schalter oder Photostromgeneratoren bedeutsam werden.

Eine weitere Gruppe von im Meer lebenden und für die Biotechnologie derzeit erforschten Organismen sind die Mikroalgen. Diese sind ein- oder mehrzellige phototrophe, sauerstoffproduzierende Organismen.

Interessant sind Mikroalgen derzeit vor allem wegen der von ihnen produzierten langkettigen polyungesättigten Fettsäuren, Antioxidantien, antibiotischen, antiviralen und antitumoralen Wirkstoffe. Die Artenvielfalt der marinen Organismen und die bisherigen Forschungsergebnisse lassen das enorme Entwicklungspotential auf diesem Gebiet erahnen. Oft werden relevante Proteine zuerst aus den nativen Mikroorganismen gewonnen.

Für die industrielle Produktion ist es jedoch einfacher, gentechnisch veränderte Mikroorganismen wie E. coli zu verwenden, da diese leichter zu kultivieren sind.

Ein Problem bei der Verwendung von E. coli ist die Entstehung von Inclusion bodies (falsch gefaltete, denaturierte Proteinmoleküle) während der Proteinexpression.

Gelingt jedoch die korrekte Rückfaltung der Inclusion bodies und dadurch die Überführung in den aktiven Zustand des Proteins, kann eine enorme Steigerung der Produktausbeute erzielt werden.

Außerdem kann in diesem Fall das rekombinante Protein ohne aufwändige Aufarbeitungsprozesse in sehr reiner Form dargestellt werden, da es meist mit weitem Abstand die Hauptkomponente der Inclusion bodies ausmacht.

Es gibt kein allgemeines Protokoll zur Rückfaltung von Inclusion bodies. Für jedes Protein muss ein geeignetes Verfahren entwickelt werden.

Problem Metallkorrosion bei Edelstahl

Zur Entwicklung von Verfahren mit extremophilen und marinen Mikroorganismen, wie auch zur Rückfaltung von Inclusion bodies sind Kultur- und Reaktionslösungen mit einem hohen Salzgehalt oder mit extremen pH-Werten erforderlich. In den meisten Fällen kann auf eine hohe Chloridionenkonzentration nicht verzichtet werden.

Chloridionen gehören zu den Hauptverursachern der Korrosion von Edelstahl. Allein die Salzkonzentration in Meerwasser liegt ein Vielfaches über dem Chloridionengehalt, ab dem die Korrosion einsetzt. Die ansonsten hohe Korrosionsbeständigkeit von Edelstahl begründet sich auf der Ausbildung einer Passivschicht an der Oberfläche.

Jede punktuelle oder flächige Zerstörung dieser Passivschicht löst die Korrosion aus. Man unterscheidet bei Edelstahlkorrosion zwischen Lochfraßkorrosion, Spaltkorrosion, Spannungsrisskorrosion, interkristalliner Korrosion und Kontaktkorrosion.

In Fermentern und Reaktoren spielen vor allem die Lochfraßund die Spaltkorrosion eine Rolle, jedoch nur wenn extreme Bedingungen angewandt werden. Im Normalfall sind Edelstahlbehälter zur Verwendung in der Biotechnologie aus Materialien gefertigt, die bestens den Prozessanforderungen entsprechen und bestimmungskonform sind.

Hohe Chloridkonzentrationen verursachen Lochfraßkorrosion, indem sie die Passivschicht punktuell durchbrechen. Es entstehen Grübchen und Löcher im Werkstoff. Eine Kombination von aggressiven Medien und fehlender Sauerstoffversorgung führt zu Spaltkorrosion.

Sie tritt vor allem in Toträumen und Spalten auf. Die Fermentertechnologie vermeidet im großen und ganzen solche schwer zugänglichen Risikostellen, aber die Korrosion unter extremen Bedingungen kann in den kleinsten Spalten beginnen.

Erhöhte Temperatur verstärkt die Korrosion. Bei jeder biotechnologischen Kultivierung wird zur Sterilisation des Nährmediums und zur Deaktivierung der Kulturbrühe nach Gewinnung des Produkts der Kesselinhalt auf 121°C erhitzt.

Prozesse mit thermophilen Organismen verlangen über ihre gesamte Dauer eine erhöhte Kultivierungstemperatur. Säureproduzierende Mikroorganismen oder Eisenbakterien beschleunigen ebenfalls die Korrosion von Edelstahl.

Aus diesen Gründen können Fermentationen und Reaktionen in Lösungen mit hohem Salzgehalt nicht in Edelstahlbehältern durchgeführt werden. Reaktoren aus Borosilikatglas eignen sich gerade in der Prozessentwicklung hervorragend für Fermentationen mit hoher Chloridionenkonzentration.

Werden Mikroalgen kultiviert, haben Glasbehälter den Vorteil, dass mit entsprechenden Lampen ausreichende Lichtversorgung gewährleistet werden kann. Der Nachteil von herkömmlichen Glasbioreaktoren ist, dass sie nicht auf Edelstahlteile verzichten können.

Der Fermenterdeckel und häufig auch der Boden sind aus Edelstahl, ebenso die Ringbrause zur Belüftung, die Rührwelle mit den Rührblättern, die Strombrecher, die Sonden und die Anschlüsse für die Zudosierung von Medien und für die Ernte der Kulturbrühe.

Abhilfe mit PEEK

Um die Prozessentwicklung auch unter extrem korrosiven Bedingungen in den bewährten Reaktoren zu ermöglichen, hat Bioengineering den autoklavierbaren Laborfermenter Ralf umgerüstet und alle Edelstahlteile durch Komponenten aus PEEK (Polyether Ether Keton) ersetzt.

PEEK ist ein Hochleistungskunststoff, der eine hohe Korrosionsresistenz gegenüber sauren, basischen und salzhaltigen Lösungen aufweist. Die hohe Temperaturbeständigkeit und die guten mechanischen Eigenschaften lassen Arbeitstemperaturen um 100°C ebenso zu wie Temperaturen nahe des Gefrierpunkts.

PEEK ist biokompatibel und von der FDA zugelassen. Dieser Werkstoff eignet sich daher für alle Anwendungen in der Biotechnologie. In der Medizin wird PEEK zur Herstellung von Implantaten verwendet.

Der Fermenter PEEK-Ralf ist in Größen von 0,5 bis 15 l erhältlich und kann daher für die Forschung, erste Upscaling- Versuche und Produktionen im kleinsten Maßstab verwendet werden.

Durch die modulare Bauweise ist der Laborfermenter sowohl für die Kultivierung von extremophilen Mikroorganismen in Medien mit hoher Salzkonzentration und bei Temperaturen von bis zu 90°C geeignet, als auch für die Züchtung von Mikroalgen mit Beleuchtungsmantel.

Empfindliche Zellkulturen können ohne Gefahr von Metallspuren ebenso in dem Reaktor mit PEEK-Komponenten kultiviert werden, wie alle anderen Bakterien, Hefen, tierische und pflanzliche Zellen.

Weil nicht nur die Kultivierung der Organismen, sondern auch die Aufarbeitung des Produkts unter sterilen und kontrollierten Bedingungen ablaufen sollte, ist auch die Rückfaltung von Inclusion bodies in diesem Fermenter möglich.

PEEK-Ralf kann nicht nur als Einzelfermenter verwendet werden, sondern auch als Forschungsstation mit bis zu vier miteinander gekoppelten Bioreaktoren, die zentral mit allen Energien versorgt, aber individuell gesteuert werden.

Jeder bereits bestehende Standard-Ralf ist problemlos in einen PEEK-Ralf umrüstbar und umgekehrt. Gerade in einem innovativen Forschungs- und Entwicklungslabor ist es wichtig, sich mit einem universellen Bioreaktorsystem alle Möglichkeiten offen zu halten. Karin Koller, Bioengineering

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