Über eine neue, zum Patent angemeldete Entwicklung eines Perfursionsfermenters mit integriertem dynamischen Crossflow-Filter berichte Gunnar Grim, Andritz Separation GmbH, auf dem Kongress der Achema Pulse. Bei Perfursionsfermentern wird ein Teil der Fermentationsbrühe aus dem Reaktionsraum abgezogen und durch eine Filteranlage gefördert. Die dort zurückgehaltenen Zellen werden in den Fermenter zurücktransportiert und das Filtrat mit den darin enthaltenen Zielmolekülen gelangt zur Aufbereitung. Je nach Filterfeinheit und Trennziel werden Reaktionsprodukte oder Nebenprodukte mit dem Filtrat abgeführt. Zeitgleich wird in den Reaktor der Anteil der Kulturflüssigkeit, der mit dem Filtrat entzogen wird, neu eingespeist. Durch die regelmäßige Entfernung von Produkten oder Nebenprodukten aus dem Reaktionsgemisch kann eine kontinuierliche Produktion mit höheren Ausbeuten realisiert werden, empfindliche oder instabile Produkte werden. Auch werden ggfs. Bakterien vor einer Vergiftung durch die von ihnen produzierten Stoffe bewahrt, indem man deren Konzentration innerhalb des Reaktors durch das regelmäßige Ausschleusen begrenzt.

Prinzip des dynamischen Cross-Flow-Filters

Bei der dynamischen Crossflow-Filtration wird die Überströmung der Membran nicht durch die Strömung der zu filtrierenden Flüssigkeit erreicht, sondern durch Rotation der Membranen, die in beim Andritz-DCF als keramische Scheiben mit Durchmessern von 142 oder 312 mm ausgeführt sind. Diese Scheiben sind in Stapeln auf einer drehbaren Hohlwelle angeordnet, durch die auch das Filtrat abgezogen wird. Die Membranen benachbarter Stapel überlappen sich teilweise und in den dadurch gebildeten Spalten werden durch die Rotation hohe Scherkräfte erzeugt. Diese verhindern, dass sich auf den Membranen beständige Deckschichten aus zurückgehaltenen Feststoffen bilden, welche die Filtrationsleistung verringern. Die dynamische Crossflow-Filtration ermöglicht die Verarbeitung weit höherer Produktviskositäten als eine konventionelle Anlage mit feststehenden Membranen: Die Viskosität auf der Anstromseite der DCF-Membran darf bis zu 3.000 mPas betragen, während die konventionelle Crossfllow-Filtration auf etwa 100 mPas beschränkt ist.

Integration des Cross-Flow-Filters in einen Bioreaktor

Stand der Technik bei Perfusionsreaktoren ist, dass ein Crossflow-Filter außerhalb des Bioreaktors installiert wird und das Retentat mit den Zellkulturen abwechselnd in und aus dem Bioreaktor gepumpt wird. Mit der Entwicklung eines Fermenters, in den die rotierenden Filterscheiben direkt integriert sind, will Andritz die Vorteile der Perfusionstechnologie besser ausschöpfen. Dabei wird die Filtrationsfläche so gewählt, dass etwa 10 % des Fermentervolumens pro Stunde filtriert werden können. Je nach Wachstumsrate kann ein konstanter oder schwankender Erntedurchfluss eingestellt werden. Durch die richtige Wahl der Porengröße der eingebauten Membran kann entschieden werden, ob das Zielprotein im Bioreaktor verbleibt oder zusammen mit den Stoffwechselprodukten entfernt wird. Gunnar Grim zeigte einen Prototyp des Systems im Labormaßstab, einen Fermenter mit 3 l Fassungsvermögen, in den ein Membransystem so angeordnet war, dass der Antrieb unterhalb des Reaktors angebracht war. Er zeigte auch die aufwändig gestaltete Dichtung, die sicherstellt, dass weder Reaktorinhalt austreten kann noch dieses durch die Umgebung kontaminiert wird.