Heat transfer in single-use bioreactors and E. coli bioprocesses

Aim of this work was to evaluate stirred, single-use bioreactors by means of their heat transfer capabilities. Although this bioreactor concept is increasingly adapted by the biopharmaceutical industry, this technical aspect is currently underrepresented in the literature. In contrast to conventional, stainless-steel bioreactors, single-use systems provide some inherent properties that possibly affect heat transfer, such as the polymer film layer of the cultivation chamber and a limited heat transfer area. Therefore, commercially available reaction systems should be investigated. To assess the relevant systems, an adequate experimental procedure was developed. Generally, two types of methods are available: transient experiments, i.e., heating and cooling curves, can directly be applied to jacketed, stirred bioreactors with minimal modification. However, results derived from this approach are more difficult to evaluate, because of the dynamic system behavior. Secondly, steady state methods can be applied, which require an additional heat source. Often electrical heaters are used. In this work, a chemical alternative was established and applied up to a scale of 200 L: the exothermic decay of hydrogen peroxide. Another published work focused on a comprehensive study of thermal properties of stirred single-use bioreactors, where especially transient and steady state experiments were carried out in parallel and set into relation. Finally, a full-system heat transfer model of a stirred 500 L bioreactor was set up, considering all relevant peripheral components required for heat transfer. Single-use bioreactors are mainly used for mammalian cell cultures. The challenging requirements towards the reaction equipment imposed by microbial cultures can hardly be fulfilled by current systems. Nevertheless, these applications are industrially relevant and could generally benefit from the technology. One of the main challenges lies in the metabolic heat produced by the microbial cells. To investigate the biological side, a similar experimental approach was applied to E. coli fed-batch processes, but in a 5 L glass bioreactor. The present work, therefore, represents a contribution to both, the engineering characterization of single-use bioreactors and the related application of calorimetric methods to microbial processes.
Ziel dieser Arbeit war es, ger��hrte Einweg-Bioreaktoren hinsichtlich ihrer W��rme��bertragungsf��higkeit zu bewerten. Obwohl dieses Bioreaktorkonzept zunehmend von der biopharmazeutischen Industrie adaptiert wird, ist dieser technische Aspekt derzeit in der Literatur unterrepr��sentiert. Im Gegensatz zu herk��mmlichen Bioreaktoren aus Edelstahl bieten Single-Use-Systeme einige inh��rente Eigenschaften, die m��glicherweise die W��rme��bertragung beeinflussen, wie die Polymerfolienschicht der Kultivierungskammer und eine begrenzte W��rme��bertragungsfl��che. Daher sollten kommerziell erh��ltliche Reaktionssysteme untersucht werden. Zur Bewertung der relevanten Systeme wurde ein ad��quates experimentelles Vorgehen entwickelt. Grunds��tzlich stehen zwei Arten von Methoden zur Verf��gung: Transiente Experimente, d. h. Aufheiz- und Abk��hlkurven, k��nnen mit minimalen Modifikationen direkt auf ummantelte, ger��hrte Bioreaktoren angewendet werden. Ergebnisse aus diesem Ansatz sind jedoch aufgrund des dynamischen Systemverhaltens schwieriger zu bewerten. Zweitens k��nnen station��re Verfahren angewendet werden, die eine zus��tzliche W��rmequelle ben��tigen. H��ufig werden elektrische Heizungen verwendet. In dieser Arbeit wurde eine chemische Alternative etabliert und bis zu einem Ma��stab von 200 L angewendet: der exotherme Zerfall von Wasserstoffperoxid. Eine weitere ver��ffentlichte Arbeit konzentrierte sich auf eine umfassende Untersuchung der thermischen Eigenschaften von ger��hrten Einweg-Bioreaktoren, wobei insbesondere transiente und station��re Experimente parallel durchgef��hrt und in Beziehung gesetzt wurden. Schlie��lich wurde ein Gesamtsystem-W��rme��bertragungsmodell eines ger��hrten 500 L Bioreaktors unter Ber��cksichtigung aller relevanten peripheren Komponenten, die f��r die W��rme��bertragung erforderlich sind, erstellt. Einweg-Bioreaktoren werden haupts��chlich f��r S��ugerzellkulturen verwendet. Die hohen Anforderungen an die Reaktionsapparatur, die mikrobielle Kulturen stellen, k��nnen mit aktuellen Systemen kaum erf��llt werden. Dennoch sind diese Anwendungen industriell relevant und k��nnten generell von der Technologie profitieren. Eine der Hauptherausforderungen liegt in der von den mikrobiellen Zellen produzierten Stoffwechselw��rme. Um die biologische Seite zu untersuchen, wurde ein ��hnlicher experimenteller Ansatz auf E. coli Fed-Batch-Prozesse angewendet, jedoch in einem 5 L Glasbioreaktor. Die vorliegende Arbeit leistet somit einen Beitrag sowohl zur ingenieurtechnischen Charakterisierung von Einweg-Bioreaktoren als auch zur damit verbundenen Anwendung kalorimetrischer Methoden auf mikrobielle Prozesse.