Hypoxische Zellkultur mit dem LAMBDA Minifor2Bio touch Bioreaktor

Viele Zellen wachsen bei Sauerstoffkonzentrationen weit unterhalb der atmosphärischen Luft. Während Inkubatoren mit etwa 21 % O₂ arbeiten, herrscht in den meisten Geweben nur ein O₂-Gehalt von 1–10 %, weshalb hypoxische Bedingungen für aussagekräftige Ergebnisse in der Stammzell-, Krebs- und Säugetierzellforschung unerlässlich sind.

Der LAMBDA Minifor2Bio touch Bioreaktor ermöglicht eine stabile hypoxische Kultur durch kontrollierte Gasmischung, Überwachung des gelösten Sauerstoffs und Kaskadensteuerung und unterstützt gleichzeitig die Regulierung des gelösten CO₂.

Der LAMBDA Minifor2Bio touch Bioreaktor ermöglicht es Forschern, kontrollierte Sauerstoffumgebungen zu erzeugen, indem sie die Zusammensetzung des Einlassgasgemisches anpassen.

Typische Gaskonfiguration

Ein typischer Aufbau für die hypoxische Kultivierung könnte Folgendes umfassen:

• Ein integrierter Luftmassenstromregler

• Ein externer Stickstoffregler zur Sauerstoffverdünnung

• Ein optionaler CO₂-Regler zur Kohlendioxidregulierung

Durch Anpassen des Luft-Stickstoff-Verhältnisses lässt sich der Sauerstoffgehalt im Reaktor auf den gewünschten Bereich reduzieren. Für viele Anwendungen liegt dieser Wert zwischen 5 % und 10 % , wobei je nach Versuchsanforderungen auch andere Werte möglich sind.

Da die Gaszusammensetzung dynamisch gesteuert werden kann, bleiben die Sauerstoffwerte auch dann stabil, wenn sich der zelluläre Sauerstoffverbrauch während der Kultivierung ändert.

Aufrechterhaltung eines stabilen Gehalts an gelöstem Sauerstoff

Während des Zellwachstums ändert sich der Sauerstoffbedarf häufig im Verlauf der Kulturentwicklung. Bleibt die Sauerstoffzufuhr konstant, kann der Gehalt an gelöstem Sauerstoff mit zunehmender Zelldichte sinken.

Der LAMBDA Minifor2Bio touch Bioreaktor misst kontinuierlich den gelösten Sauerstoff mithilfe eines integrierten Sensors. Sobald sich der Sauerstoffgehalt ändert, passt das Steuerungssystem die Gaszufuhr automatisch an, um die Zielbedingungen aufrechtzuerhalten.

Faktoren, die den Sauerstofftransfer beeinflussen

Mehrere Parameter beeinflussen den Sauerstofftransfer in einem Bioreaktor:

• Zelldichte und Stoffwechselaktivität

• Rührgeschwindigkeit und Mischeffizienz

• Gasdurchflussrate und Blasenbildung

• Stoffaustauscheigenschaften zwischen Gas und Flüssigkeit

Das Steuerungssystem gleicht diese Faktoren in Echtzeit aus und trägt so dazu bei, einen gleichbleibenden Sauerstoffgehalt während des gesamten Kultivierungsprozesses aufrechtzuerhalten.

Kontrolle des gelösten CO₂ in der Zellkultur

In vielen Zellkultursystemen spielt Kohlendioxid eine wichtige Rolle für die Stabilität der Kultur. Gelöstes CO₂ kann den pH-Wert des Mediums, den Zellstoffwechsel und die Gesamtleistung der Kultur beeinflussen .

Der LAMBDA Minifor2Bio touch Bioreaktor unterstützt die Überwachung von gelöstem CO₂ mithilfe von Sensoren wie der Hamilton CO2NTROL-Sonde . Die gemessene CO₂-Konzentration kann anschließend als Steuersignal zur Regelung des CO₂-Gasflusses verwendet werden.

Dieser Ansatz ermöglicht es den Forschern, stabile Konzentrationen von gelöstem CO₂ aufrechtzuerhalten und gleichzeitig die Sauerstoffkonzentration in der Kultur zu kontrollieren.

Verständnis der Kaskadensteuerung im LAMBDA Minifor2Bio touch Bioreaktor

Die präzise Gaskontrolle in einem Bioreaktor ist nicht immer einfach. Der Gasaustausch zwischen der Gasphase und dem flüssigen Kulturmedium führt zu Verzögerungen, wodurch herkömmliche Kontrollstrategien schwer anzupassen sind.

Der LAMBDA Minifor2Bio touch Bioreaktor nutzt ein Kaskadensteuerungskonzept, das speziell für die Bewältigung dieser Herausforderungen entwickelt wurde.

Wie die Kaskadensteuerung funktioniert

Bei der Kaskadenregelung wird ein gemessener Parameter verwendet, um eine andere Prozessvariable zu regeln.

Zum Beispiel:

• Eine Messung des gelösten CO₂ kann den CO₂-Gasstrom, der in den Reaktor eintritt, regulieren.

Benutzer definieren eine Zuordnungstabelle , die den Messparameter (Quelle) mit einem oder mehreren Regelparametern verknüpft. Bis zu vier Regelausgänge können einer einzelnen Messung zugeordnet werden.

Vereinfacht ausgedrückt übersetzt das System eine gemessene Variable (z. B. gelöstes CO2) direkt in eine steuerbare Reaktion (z. B. Gasfluss) mithilfe einer vordefinierten Beziehung anstatt einer reaktiven Korrektur.

Das System passt dann die Steuerausgänge dynamisch auf Basis dieser Zuordnung an.

Lineare Regelung für stabile Gasregelung

In Gas-Flüssigkeits-Systemen mit systembedingten Verzögerungen kann die Einstellung herkömmlicher PID-Regler schwierig sein und zu oszillatorischem Verhalten führen.

Anstatt auf herkömmliche PID-Regelkreise zurückzugreifen, verwendet der LAMBDA Minifor2Bio touch Bioreaktor einen linearen proportionalen Regelungsansatz .

Der Benutzer definiert mehrere Referenzpunkte in der Zuordnungstabelle, und der Regler führt eine lineare Interpolation zwischen diesen Punkten durch , um die korrekte Regelungsantwort zu ermitteln.

Anstelle einer reaktiven Korrektur folgt das System einer vordefinierten Reaktionskurve , wodurch schrittweise und vorhersehbare Anpassungen gewährleistet werden.

Vorteile der linearen Kaskadensteuerung

Dieser Ansatz bietet mehrere praktische Vorteile:

• Ruhiges Regelverhalten

• Verringerte Schwankungen der Konzentrationen gelöster Gase

• Stabile Regelung in Gas-Flüssigkeits-Systemen

• Einfache Konfiguration für Forscher

Da Gastransferprozesse oft langsam reagieren, können schrittweise proportionale Anpassungen stabilere Ergebnisse liefern als aggressive Korrekturmaßnahmen.

Beispiel: CO₂-Gasfluss in einer Kleinkultur

Betrachten wir einen Reaktor mit einem Arbeitsvolumen von 300 ml .

Bei einer Belüftungsrate von 0,1 VVM beträgt der gesamte Gasstrom, der in den Reaktor eintritt, ungefähr 30 ml pro Minute .

Wenn das Einlassgasgemisch 5 % CO₂ enthält , beträgt der theoretische CO₂-Fluss ungefähr 1,5 ml pro Minute .

Die tatsächliche Konzentration des gelösten CO₂ innerhalb der Kultur hängt jedoch von mehreren zusätzlichen Faktoren ab, darunter Rührgeschwindigkeit, Gasaustauscheffizienz und zelluläre metabolische CO₂-Produktion.

Dies verdeutlicht, warum feste Gaszusammensetzungen in dynamischen biologischen Systemen oft nicht ausreichen.

Bei aktivierter Kaskadensteuerung passt der LAMBDA Minifor2Bio touch Bioreaktor die CO₂-Durchflussraten automatisch an, um den gewünschten Gehalt an gelöstem CO₂ aufrechtzuerhalten, anstatt mit einer konstanten Durchflussrate zu arbeiten.

Flexible Datenanzeige- und Maßeinheiten

Die Reaktorschnittstelle ermöglicht die Anzeige der Sensormesswerte in verschiedenen Einheiten, je nach den experimentellen Anforderungen.

Anzeigeoptionen für gelösten Sauerstoff

Die Messwerte für gelösten Sauerstoff können wie folgt dargestellt werden:

• Prozentuale Sättigung

• mg/L

Messeinheiten für gelöstes CO₂

Die Werte für gelöstes CO₂ können in verschiedenen Formaten angezeigt werden, zum Beispiel:

• Prozentuale Konzentration

• Massenbasierte Einheiten

Diese Flexibilität erlaubt es Forschern, Prozessdaten mit den für ihre Anwendungen am besten geeigneten Einheiten zu interpretieren.

Eine praktische Plattform für die hypoxische Zellkulturforschung

Hypoxische Zellkulturen gewinnen in vielen Bereichen der Biotechnologie und der Lebenswissenschaften zunehmend an Bedeutung. Die Reproduktion physiologischer Sauerstoffkonzentrationen hilft Forschern, das Verhalten von Zellen in ihrer natürlichen Umgebung besser zu verstehen.

Mit flexibler Gaskontrolle, stabiler Kaskadenregelung und präziser Sensorintegration bietet der LAMBDA Minifor2Bio touch Bioreaktor eine zuverlässige Plattform für die Kultivierung von Zellen unter kontrollierten hypoxischen Bedingungen bei gleichzeitiger genauer Regulierung der gelösten Gase. 

Ob für die Stammzellforschung, Krebsstudien oder fortgeschrittene Säugetierzellkulturen – stabile hypoxische Bedingungen sind für reproduzierbare Ergebnisse unerlässlich .

Der Minifor2Bio bietet eine praktische und zuverlässige Lösung für die präzise Kontrolle gelöster Gase in Bioprozessen im kleinen Maßstab.

Kontaktieren Sie uns, um Ihre konkrete Anwendung zu besprechen: sales@lambda-instruments.com