BVT Prüfungsfragen

Bioreaktoren sind Apparate, in denen die Reaktionspartner mit Hilfe der Biokatalysato-ren (Mikroorganismen, Zellen, Enzyme) zu den Produkten umgewandelt werden. Es wird von Fermentoren gesprochen, wenn lebende, vermehrungsfähige Mikroorganismen und Zellen pflanzlichen, tierischen bzw. humanen Ursprungs eingesetzt werden. 

• Übersichtliche Strömungsverhältnisse

• Homogene Flüssigkeitsverteilung

• Keine Kurzschlusszonen

• Ausreichende Turbulenz

• Vermeidung von Substratentmischung

• Gute Dispergierung von Luft bzw. Gas

• Einheitliche Energieverteilung

• Geringe Scherkräfte

• Sterilisierbarkeit und Sterilbetrieb

• Messbarkeit der Prozessvariablen und Schlüsselkomponenten

• Eignung für Scale Up

• Langzeitstabilität

• Einfache Handhabung und kostengünstige Wartung 

Da der Bioreaktor der Ort der Fermentation ist, sprich der Ort wo das gewünschte Produkt mittels Organismen produziert wird. 

Kultivierungscontainer; Mess-, Steuer- und Regeleinrichtung; Antrieb (mechanischer, pneumatischer, hydraulischer, kombinierter); Heiz- und Kühlkreislauf (Kühlwasser, Heisswasser, Dampf); Zuluftstrecke (Druckluft, Sterilfilter, Gasmischstation, Begasungseinrichtung); Abluftstrecke (Trocknung, Sterilfalle, Sterilfilter); CIP (Cleaning In Place)- und SIP (Sterilisation In Place)-Systemen; Dosiereinrichtung und Feedvorlagen; Sterilkopplungen, Probenahme- und Erntesystemen; Armaturen und Rohrleitungen; Sicherheitsvorrichtungen 

Temperatur, Drehzahl, pH-Wert; gelöstes Gas; Abgas; Druck; Füllstand; Schaumhöhe; Antischaum-, Säure- und Laugenmenge 

Leistungsaufnahme; Masse des Fermentationsmediums; Biomasse-, Substrat-, Produkt- und Nährsalzkonzentrationen; Zu- und Ablaufmengen an Flüssigkeiten und Gasen; Dichte, Oberflächenspannung, Viskosität; Redoxpotential; Leitfähigkeit 

Rührreaktor: Der Rührreaktor besteht aus einem, wenn nötig beheizbaren, Kessel in welchem das Medium durch einen Rührorgan kontinuierlich durchmischt wird. Das Rührorgan wird mittels eines extern angebrachten Motors angetrieben. Einsatzgebiete:

• Inokulumproduktion

• Produktion von Starterkulturen

• Produktion z.B. von Penicillin oder Proteinen 

Blasensäule: Die Blasensäule besteht aus einer Säule, welche von unten durch gereinigte Zuluft oder anderen Gasen mittels einer oder mehreren Düsen begast wird. Dabei heben sich die Gasblasen in der Säule und können somit die Organismen mit dem nötigen Gas versorgen.Einsatzgebiete:

• Aerobe Abwasserreinigung

• Herstellung von SCP

• Kultivierung von Säugerzellen

• Produktion z.B. von Zitronensäure 

Bettreaktor: Der Bettreaktor besteht aus einer Säule oder einem „Kasten“, in welcher/m eine Membran angebracht ist. Dabei werden die Organismen immobilisiert und werden vom Medium und gereinigter Zuluft oder anderes Gas umströmt. Einsatzgebiete:

• Produktion von AS

• Abwasser- und Abluftreinigung

• Bodensanierung

• Produktion z.B. von EPO 

Es ist ein geschlossenes System, welches einmal durchgehend kultiviert wird. Dabei herrscht ein konstantes Arbeitsvolumen. Die Ernte erfolgt bei maximaler Zellzahl oder Produktkonzentration. Diskontinuierlich! 

Kontinuierlich betriebene Bioreaktoren sind offene Systeme. Ständig wird Medium zugeführt und Fermentationsbrühe abgeführt. Kontinuierliche Kulturführung hat eine hohe Raum-Zeit-Ausbeute zur Folge. Chemostat (kont. Entfernung von Biomasse) oder Perfusionssysteme (Rückführung des Biokat.) 

Periodischer Austausch und stufenweise Zugabe von Nährmedium 

Ein Perfusionsverfahren gehört in die Kategorie der kontinuierlichen Verfahren. Kontinuierliche Verfahren sind offene Systeme, wobei das Arbeitsvolumen konstant gehalten wird. Zu berücksichtigen ist, dass bei einem Perfusionsverfahren die Verdünnungsrate grösser ist als das Zellwachstum. Das ist ein Verfahren ohne Zellrückhaltung. Dabei erfolgt ein Auswaschungseffekt und oder eine Nährstofflimitierung. Siehe Durchflusskulturen (Perfusionskulturen) 

Unter dem Begriff Hygienedesign, wird die konstruktive Gestaltung von Apparaten und Bauteilen unter Berücksichtigung der Hygieneanforderungen verstanden. Vermeidung von Kontaminationen und Verunreinigungen mit unerwünschten Stoffen oder Mikroorganismen Kontaminationsquellen:

• biologische (Mikroorganismen und deren Lysebestandteile und Schädlinge)

• chemische (Reinigungs- und Desinfektionsmittel, Pestizide, Kontaminanten)

• physikalische (Oberflächen, Technologie, Anlagen und Fremdkörper, Wetter)

• anthropogene (Fehlverhalten des Menschen) 

Die biosicherheitstechnischen Schurzmassnahmen richten sich nach den 4 Gefährdungsgruppen ( je nach dem eingesetzten biologischen Material )

• Sicherheitsstufe 1: kein Risiko für die menschliche Gesundheit oder die Umwelt

• Sicherheitsstufe 2: geringes Risiko für die menschliche Gesundheit oder die Umwelt

• Sicherheitsstufe 3: mäßiges Risiko für die menschliche Gesundheit oder die Umwelt

• Sicherheitsstufe 4: hohes Risiko oder dem begründeten Verdacht eines solchen Risikos für die menschliche Gesundheit oder für die Umwelt 
Sicherheitsstufen (Containmentlevels) sind in der Einschliessverordnung (ESV) geregelt 

1. Physikalisch-technisch (Anlagen, bautechnische und apparatetechnische Vorschriften sowie Sicherheitsanalyse der Anlage) 
2. Organisatorisch (personelle Anweisungen; Verhaltensregeln, Arbeitsvorschriften und Kontrollen) 
3. Biologisch (Verwendung von biologischen Systemen, die gefährdungsvermindernde Eigenschaften besitzen) 
Die biosicherheitstechnischen Schutzmassnahmen sind in der Schweiz durch die Einschliessungsverordnung (ESV) geregelt. 

• Das Institut für europäische Normen • DIN, deutsches Institut für Normen • Weitere: o EHEDG (European Hygienic Equipment Design Group) o VDMA (Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau) 

siehe Bild

siehe Bild

siehe Bild

siehe Bild

Der Umgang mit Organismen wird in der Schweiz durch die Störfallverordnung, Freisetzungsverordnung und Einschliessungsverordnung geregelt. Insbesondere die Einschliessungsverordnung ist massgebend für die Handhabung biologischer Materialien in geschlossenen Systemen (Laboratorien und Produktionsanlagen). 

Eidgenössische Fachkommission für biologische Sicherheit (EFBS): Biologische Sicherheit (BAG): Forschungsethikkommissionen der Schweiz (EK) 

Es gelten jeweils die angegebenen Anforderungen + die Anforderungen der vorhergehenden Sicherheitsstufe 

Containment Sicherheitsstufe 1

• Organismen ohne Gefährdungspotenzial (Bsp. Hefen, Lactobazillus spp.)

• Labor: Räumliche Abgrenzung, Abwasser und Abfälle unbehandelt entsorgbar, Beauftragter für biologische Sicherheit 
• Produktion: Kulturaustritt/ Abluft verhindern 

Containment Sicherheitsstufe 2

• Organismen mit Gefährdungspotenzial, jedoch geringes Risiko (Bsp. Escherichia Coli) 

• Labor: Hände Desinfektion, Abwasser und Abfall inaktivieren, Kennzeichnung, Biogefährdung, Hygieneplan 

• Produktion: Geschlossenes System, Sicherheitswerkbank, Probenahmesystem dicht 

Containment Sicherheitsstufe 3

• Organismen, die schwere bis lebensbedrohende Erkran-kungen hervorrufen können z. B. Bacillus anthracis, Histoplasma capsulatum, HIV 

• Labor: Fenster nicht zu öffnen, Notstrom, Labor mit Unterdruck, Sterilwerkbank Klasse 1/2, Abluftfilter, Notstrom 

• Produktion: 

Containment Sicherheitsstufe 4

• hochpathogene Viren, keine Bakterien und Pilze z. B. Lassavirus

• Labor: Materialschleuse, Dreikammerige Personenschleuse, Selbstschliessende Türen, Autoklav im Labor, Eigenes Belüftungssystem mit kontrolliertem Unterdruck 

• Produktion: besondere Schutzkleidung, Sicherheitswerkbank Klasse 3, Zugang verriegelt 

siehe Bild

siehe Bild

Steriltests sind Methoden, mit denen die Funktionalität von Sterilisatoren (Sterilisationserfolg und Sterilisationskinetik) und Sterilanlagen (Sterilisationserfolg und Überprüfung des kontaminationsfreien Betriebes), das Hygienedesign von biotechnologischen Apparateelementen oder das sterile Handling von Operatoren untersucht werden. Aussagen von Steriltests sind immer im Kontext von Grösse (Volumen) der Anlage, Medien- zusammensetzung, Probenahme und Probemenge sowie Nachweisverfahren zu bewerten. Können nicht sterile und mikrobielle Arbeitstechniken bei der Vorbereitung der Probenahme- systeme, der Probenahme und Probeaufbereitung 

Generell werden zwei Arten von Steriltest unterschieden:

• Sterilisation der Systeme bzw. der Systeme mit Medium ohne Zugabe von Bioindika- toren 

• Sterilisation der Systeme bzw. der Systeme mit Medium mit definierter Zugabe von Bioindikatoren 

Bei den Steriltests der Systeme bzw. der Systeme mit Medium ohne Zugabe von Bioindikato- ren wird lediglich eine Sterilisation durchgeführt und das Sterilisationsergebnis bewertet. Aussagekräftiger sind Steriltests mit definierter Zugabe von Bioindikatoren. Sie gestatten bei richtiger Durchführung gleichzeitig eine Aussage zur Sterilisationskinetik, sind aber auch arbeitsaufwendiger und teurer. 

Als Bioindikatoren für Steriltest sollten die Organismen verwendet werden, welche im worst case im System vorkommen können. Zum Testen von Sterilisatoren werden dazu thermorestistente Sporenkulturen von Bacillus stearothermophilus und Bacillus subtilis verwendet. Bioindikatoren können in verschiedenen Handelsformen (Ampullen, Folienbeutel, Indikator- streifen) bezogen werden oder sind über Stammkonserven anzuziehen. 

Start einer Fermentation mit definierter erhöhter Keimbelastung mit einem Bioindikator. Sterilisationsvorgang, mehrere Probenahmen nach definierten Zeitabschnitten (zb. 12h) Inkubation dieser Proben (2-3d), Nachweis von Sporen, mikrobiologische Tests