Experimente im Mikromaßstab ermöglichen die Gewinnung essentieller Prozessdaten bereits in einem frühen und kostengünstigen Stadium.

In dieser Arbeit wird gezeigt, dass Zellkulturen in geschüttelten Mikrotiterplatten Daten liefern können, die sowohl reproduzierbar als auch vergleichbar mit herkömmlichen Schüttelkolbenexperimenten sind, wenn die entsprechenden verfahrenstechnischen Parameter berücksichtigt werden.

Detailliert und anschaulich werden Mischverhalten und Gas-Flüssigkeits-Stofftransfer in Mikrosystemen und ihr Einfluss auf suspendierte Säugerzellen beschrieben. Im Gegensatz zu gerührten Systemen erfolgt der Sauerstofftransfer in geschüttelten Kulturen ausschließlich über eine Oberflächenbegasung.

Um festzustellen, ob der Sauerstofftransfer in einer membranbedeckten 24-well Mikrotiterplatte ausreicht, wurde die Gelöstsauerstoffkonzentration bei verschiedenen Schüttelgeschwindigkeiten und Füllvolumina mithilfe von fluoreszierenden optischen Sensoren ermittelt. Vergleichbare Experimente wurden auch in Schüttelkolben durchgeführt.

Die Konzentration an gelöstem Sauerstoff in den Mikrowellkulturen bewegte sich bei einem Füllvolumen von 800 µL und Schüttelgeschwindigkeiten zwischen 120 und 300 rpm zwischen 65 und 90 % Sättigung und war somit ausreichend für die Bedürfnisse der Zellen.

Eine gute Durchmischung ist ein weiterer wichtiger Faktor beim Einsatz von Mikrotiterplatten. Durch Injektion eines Farbstoffes werden die verschiedenen Muster beim Mischen in einer 24-well Platte mit eindrucksvollen Hochgeschwindigkeitsaufnahmen veranschaulicht. Bei Schüttelgeschwindigkeiten von 120 rpm sank die Farbe zunächst auf den Boden der Vertiefung und stieg dann als horizontale Front auf. Oberhalb von 250 rpm bestanden Heterogenitäten für weniger als eine Sekunde bevor der Farbstoff gleichmäßig verteilt wurde.

Die Mischzeiten in 24-well Platten verlängerten sich mit steigenden Füllvolumina bei geringeren Schüttelgeschwindigkeiten.

Die durch numerische Strömungssimulation (CFD) vorausberechnete Energiedissipationsrate (P/V) für geschüttelte Mikrosysteme gab keinen Hinweis auf einen möglichen nachteiligen Effekt der hydrodynamischen Bedingungen auf die kultivierten Zellen.

Die Schüttelgeschwindigkeit kann bei Mikrokulturen verfahrenstechnische Größen wie Mischzeit oder k_La signifikant beeinflussen. Daher wurde der Einfluss der Schüttelgeschwindigkeit auf Hybridomazellen in 24-well Platten in einem Bereich zwischen 120 und 250 rpm (800 µL Füllvolumen) untersucht. Hydrodynamik und Gas-Flüssigkeits-Massentransfer waren im getesteten Geschwindigkeitsbereich nicht limitierend.

Der Einfluss des Füllvolumens auf Zellwachstum und Antikörperproduktion wurde an Hybridoma-Kulturen in 24-well Platten untersucht. Die wells wurden entweder mit 800 oder 2000 µL Medium gefüllt und bei Geschwindigkeiten zwischen 120 – 250 rpm inkubiert. Im Unterschied zur Schüttelgeschwindigkeit hatten Unterschiede im Füllvolumen signifikanten Einfluss auf die Kulturen: Bei 120 rpm und mit 800 µL Medium war die höchste Lebendzellkonzentration fast doppelt so groß wie die bei 2000 µL Füllvolumen ermittelte.

Um die Eignung von Mikrokulturen für die Entwicklung von Hochdurchsatz-Prozessen zu untersuchen, wurden Mikrotiterplatten und Schüttelkolben bei übereinstimmenden Energiedissipationsraten (P/V) betrieben. Die durchschnittliche P/V in der Mikrotiterplatte wurde mit 40 Wm^-3 (120 rpm, 800 µL Füllvolumen) vorausberechnet. Die Betriebsbedingen für 250 mL Schüttelkolben wurden modifiziert (120 rpm, 100mL Füllvolumen) um Energiedissipationsraten in vergleichbaren Größenordnungen zu erhalten. Die Zellwachstumskinetiken, Antikörperproduktionsraten sowie Metabolitprofile waren in beiden Bioreaktorsystemen annähernd gleich.

Geschüttelte Mikrosysteme bieten Vorteile wie reduzierte Maßstäbe, geringere Kosten, weniger Materialbedarf und höheren Durchsatz.

Die in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse zeigen, dass geschüttelte Mikrotiterplatten im Vergleich mit Schüttelkolben quantitative und reproduzierbare Bioprozessdaten liefern können und somit eine kostengünstige Plattform bei der Prozessentwicklung darstellen.