Im Bereich der Biofermentation sind Glasfermentationsbehälter seit jeher die bevorzugte Ausrüstung für die Prozessoptimierung, insbesondere im Labormaßstab und bei kleinen Versuchen. Glasfermentationsbehälter sind transparent und intuitiv, leicht zu reinigen und relativ kostengünstig. Gleichzeitig erfüllen sie die Kultivierungsbedürfnisse der meisten Mikroorganismen. 5-Liter-Glasfermentationsbehälter sind besonders beliebt.
I. Behältermaterial:
Die Auswahl eines geeigneten Glasfermentationsbehälters beginnt mit der Berücksichtigung des Behältermaterials. Hochwertiges Borosilikatglas gilt derzeit als beste Wahl, da es chemische Stabilität, thermische Eigenschaften und physikalische Transparenz vereint. Der Fermentationsprozess ist im Wesentlichen die Stoffwechselaktivität von Mikroorganismen in einer künstlichen Umgebung. Die Fermentationsbrühe besitzt eine komplexe Zusammensetzung aus anorganischen Salzen, Puffersystemen, organischen Säuren, Enzymen und von Mikroorganismen ausgeschiedenen Metaboliten. Hochborosilikatglas bildet aufgrund der Zugabe großer Mengen Bortrioxid während des Herstellungsprozesses eine hochstabile Silizium-Sauerstoff-Netzwerkstruktur. Dies verleiht ihm eine extrem hohe Beständigkeit gegenüber Wasser, Säuren, Laugen und verschiedenen organischen Lösungsmitteln. Dieser inerte Behälter gibt weder zusätzliche Elemente an die Fermentationsbrühe ab noch adsorbiert er deren Wirkstoffe. Dadurch werden die Datenintegrität und die Chargenkonsistenz gewährleistet.
Hinsichtlich der thermischen Eigenschaften löst Hochborosilikatglas das kritischste Zuverlässigkeitsproblem von Glasmaterialien. Fermentationsbehälter werden fast immer einer Hochtemperatursterilisation unterzogen und durchlaufen Temperaturzyklen zwischen Raumtemperatur, Sterilisationstemperatur und Kultivierungstemperatur. Diese drastischen Temperaturwechsel stellen extrem hohe Anforderungen an die Temperaturwechselbeständigkeit des Materials. Hochborosilikatglas besitzt einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von nur etwa einem Drittel desjenigen von Normalglas. Dadurch kann es plötzliche Temperaturunterschiede von mehreren hundert Grad Celsius unbeschadet überstehen.
Aus Sicht der Prozessbeobachtung bietet die Transparenz von Borosilikatglas einen einzigartigen Vorteil, den kein Metall ersetzen kann. Die Bediener müssen den Zustand des Tanks ständig überwachen. Borosilikatglas zeichnet sich nicht nur durch eine hohe Lichtdurchlässigkeit aus, sondern vergilbt auch bei langfristiger Nutzung nicht und gewährleistet so ein stets gutes Sichtfeld. Durch die Tankwände können die Techniker direkt beurteilen, ob die Durchmischung gleichmäßig ist, ob die Schaumschicht zu hoch ist, ob Mikroorganismen verklumpen oder anhaften und sogar den Stoffwechselzustand anhand von Farbveränderungen erkennen. Diese intuitive visuelle Information ist oft direkter als Sensordaten.
II. Volumen:
Das Nennvolumen eines 5-Liter-Glasfermenters bezieht sich auf das Gesamtvolumen von 5 Litern. Die tatsächliche Flüssigkeitsfüllung wird jedoch in der Regel auf etwa 70 % begrenzt, was ungefähr 3,5 Litern Kulturmedium entspricht. Bei zu hoher Füllung besteht die Gefahr, dass Schaum beim Rühren überläuft, den Abluftfilter verstopft und sogar zu Verunreinigungen führt. Bei zu geringer Füllung wirkt sich dies negativ auf die Wirtschaftlichkeit aus. Das Verhältnis von Durchmesser zu Höhe wird oft vernachlässigt; die gängigste Bauform ist eine schlanke Form mit einem Verhältnis von etwa 1:2,2 bis 1:2,5. Dieses Verhältnis kann die Verweilzeit von Luftblasen in der Flüssigkeit verlängern, den Sauerstofftransferkoeffizienten (kLa-Wert) verbessern und eignet sich besonders für die Hochdichtekultur aerober Mikroorganismen wie E. coli, Hefen oder Bacillus subtilis. Bei scherempfindlichen Experimenten (z. B. mit bestimmten Pilzen oder tierischen Zellen) kann ein etwas kürzeres und breiteres Verhältnis gewählt werden, aber insgesamt ist 1:2,5 die ausgewogenste Wahl.
III. Sterilisationsverfahren
Das Sterilisationsverfahren ist ein entscheidender Faktor bei der Auswahl von Laborglasgefäßen. Die externe Sterilisation ist derzeit die gängigste Methode für 5-Liter-Glasfermenter in Laboren. Das Verfahren umfasst das Abnehmen des Edelstahldeckels des Reaktors, das Einfüllen des vorbereiteten Kulturmediums, das Verschließen des Deckels und schließlich das Einsetzen des gesamten Fermenters (einschließlich Tankkörper, Elektroden, Zufuhrflaschen, Schläuche und Zubehör) in einen Autoklaven zur Sterilisation. Die Vorteile liegen in der einfachen Reaktorstruktur und den geringen Herstellungskosten (30–100 % günstiger als die Sterilisation vor Ort). Es eignet sich für die meisten Anwendungen in Lehre, Stamm-Screening und Routineforschung. Der Nachteil besteht darin, dass vor und nach jedem Experiment Demontage, Montage und Handhabung erforderlich sind, was zeitaufwändig ist. Obwohl die Sterilisation außerhalb des Labors etwas aufwendiger ist, bietet sie eine hohe Kosteneffizienz. Solange der Autoklav den 5-Liter-Tank und das Zubehör aufnehmen kann, ist die Sterilisation außerhalb des Labors die optimale Lösung.
Bei der Sterilisation vor Ort wird nach der Installation des Geräts direkt Hochtemperaturdampf über die integrierten Dampfleitungen, Ventile und das Steuerungssystem in den Fermenter und den Mantel eingeleitet. Dies macht eine Demontage überflüssig und eignet sich besonders für Prozesse mit häufigen Chargenwechseln oder solchen, die für die Scale-up-Validierung höchste Sterilität erfordern. Bei Glasfermentern erzeugen die schnellen Erwärmungs- und Abkühlungszyklen sowie die Druckschwankungen während der In-situ-Sterilisation erhebliche thermische Spannungen, die leicht zu Dichtungsschäden oder Elektrodenbeschädigungen führen können. Die Geräte benötigen zudem zusätzliche Dampferzeuger, automatische Ventile, Drucksensoren und eine verstärkte Glaskonstruktion, was die Kosten deutlich erhöht. Auch Reparaturen im Problemfall sind schwieriger. Daher ist die In-situ-Sterilisation in Glastanks relativ selten und findet sich hauptsächlich in Edelstahltanks.
IV. Rührsystem:
Das Rührsystem bestimmt die Mischhomogenität, den Sauerstofftransfer und die Scherkraftkontrolle und ist das Herzstück des Fermenters. Für 5-Liter-Glasreaktoren, die für die mikrobielle Fermentation verwendet werden, kommt typischerweise ein 100–300-W-Gleichstrom-Servomotor oder ein Wechselstrom-Frequenzumrichter zum Einsatz. Diese Motoren sind klein, geräuscharm, wartungsfrei und ermöglichen eine präzise, stufenlose Drehzahlregelung. Sie unterstützen zudem die digitale PID-Regelung und ermöglichen so die Anbindung an den Fermentationsregler zur Anpassung von gelöstem Sauerstoff und Scherkräften. Herkömmliche Asynchronmotoren sollten aufgrund ihrer ungenauen Drehzahlregelung vermieden werden, da sie die Anforderungen an Drehzahlstabilität und -reproduzierbarkeit in der Fermentation nicht erfüllen.
Gleitringdichtungen sind eine gängige Methode zur dynamischen Abdichtung in Rührsystemen für Glasfermenter und werden vorwiegend in Rührsystemen mit Top-Entry-Systemen eingesetzt. Man unterscheidet zwischen einseitig und beidseitig dichtenden Gleitringdichtungen. Erstere bestehen aus einem rotierenden Ring (der sich mit der Welle dreht) und einem stationären Ring (der am Deckel befestigt ist) und nutzen die Selbstschmierung des Kulturmediums im Behälter. Sie zeichnen sich durch einen einfachen Aufbau, geringe Kosten und eine effiziente Drehmomentübertragung aus und eignen sich daher für Laborglasreaktoren. Letztere verwenden zwei in Reihe geschaltete Dichtungssätze, die eine Spülkammer bilden. Durch diese wird eine spezielle Dichtungsflüssigkeit zugeführt, wodurch eine doppelte Barriere entsteht. Selbst bei geringfügigen Leckagen im Inneren können keine Verunreinigungen von außen eindringen, was zu erhöhter Hygiene führt.
Magnetgekoppeltes Rühren von unten ist eine gängige aseptische Rührlösung für die mikrobielle Fermentation in 5-Liter-Glasreaktoren. Der auffälligste optische Unterschied ist das Fehlen eines Motors im Deckel, dafür besitzt der Reaktor einen zusätzlichen Sockel. Der Motor ist unten angebracht, und der äußere Magnetring rotiert mit dem Motor und treibt über eine starke Magnetfeldkopplung den inneren Magnetring (integriert in Rührwelle und Rührflügel) an. Dadurch wird vermieden, dass die Rührwelle die Behälterwand oder den Deckel durchdringt, wodurch mechanische Dichtungen oder Packungen überflüssig werden und eine kontaktlose Kraftübertragung erreicht wird. Zu den Vorteilen des magnetgekoppelten Rührens zählen höchste Sterilität, die vollständige Vermeidung von Totzonen und Leckagerisiken durch Wellendurchdringung, kein Dichtungsverschleiß, kein regelmäßiger Austausch von O-Ringen oder Schmierung sowie eine lange Lebensdauer. Darüber hinaus erzeugt es eine axiale und radiale Durchmischung von unten nach oben, was (bei Verwendung mit einer Ringdüse) zu einer gleichmäßigeren Gasverteilung und oft zu einem höheren Sauerstofftransfer (kLa) führt, insbesondere bei Medien mit geringem Volumen oder hoher Viskosität. Die Scherkraft ist relativ gering, wodurch das Verfahren schonender für empfindliche Stämme (wie z. B. bestimmte Fadenpilze) ist. Der Nachteil besteht in der Gefahr der Entkopplung bei magnetischer Kopplung. Steigt die Viskosität des Mediums zu stark an, ist die Drehzahl zu hoch oder die Belastung zu hoch, können sich die inneren und äußeren Magnetringe kurzzeitig trennen und die Rührung zum Stillstand bringen. Für Fermentationen mit hoher Dichte oder hohe Viskosität (z. B. mit Feststoffpartikeln) ist die sorgfältige Auswahl eines Magnetantriebssystems mit hohem Drehmoment erforderlich.
Für die meisten mikrobiellen Fermentationen in 5-Liter-Glasreaktoren im Labor ist die mechanische Rührung in Kombination mit einer einseitigen Gleitringdichtung die kostengünstigste und praktischste Lösung. Sie ist einfach, zuverlässig und wartungsarm und hat sich bei zahlreichen Herstellern bewährt. Die Aufrüstung auf doppelseitige Gleitringdichtungen oder Rührwerke mit Magnetkupplung am Boden wird nur in Betracht gezogen, wenn hohe aseptische Bedingungen, risikoreiche Mikroorganismen oder spezielle Prozesse erforderlich sind, um zusätzliche Sicherheit zu gewährleisten.
V. Rührwerke
Das Rührwerk ist eine Schlüsselkomponente, die die Mischhomogenität, den Sauerstofftransferkoeffizienten (kLa), die Scherkraft und den Energieverbrauch beeinflusst. Es besteht aus Edelstahl 316L mit elektropolierter Oberfläche. Das wichtigste Auswahlkriterium ist das Gleichgewicht zwischen hohem Sauerstofftransfer (notwendig für aerobe Mikroorganismen) und geringer Scherkraft (zum Schutz der Mikroorganismenzellen).
Turbinenrührwerke sind die gängigste Wahl für die mikrobielle Fermentation. Sie erzeugen primär eine Radialströmung, zerkleinern Blasen und erhöhen den kLa-Wert deutlich. Dadurch eignen sie sich für die Fermentation mit hoher Zelldichte und hohem Sauerstoffbedarf (z. B. bei E. coli und Hefen). Ihre starke Gasdispersion und hohe Sauerstofftransferleistung wurden in zahlreichen Studien und von verschiedenen Herstellern bestätigt. Ein Nachteil ist, dass hohe Drehzahlen filamentöse Pilze oder empfindliche Stämme schädigen können.
Schrägflügelrührer werden in einem Winkel von ca. 45° installiert und erzeugen gleichzeitig radiale und axiale Strömung, was zu einer gleichmäßigeren Durchmischung führt. Sie weisen eine geringere Scherkraft als Turbinenrührer auf und bieten zudem einen besseren Sauerstoffaustausch. Sie eignen sich für mittelviskose Kulturmedien oder Mikroorganismen, die empfindlich auf Scherkräfte reagieren. In Kombination mit einem kleineren Turbinenrührer verbessern sie die Gesamtzirkulation und reduzieren Totzonen. Der Nachteil besteht darin, dass ihre Gasdispersion etwas geringer ist als die eines reinen Turbinenrührers.
Axialströmungsrührer erzeugen primär axiale Strömung, was die geringste Scherkraft zur Folge hat und sie für die Kultivierung in niedrigviskosen Medien mit geringer Scherkraft geeignet macht. Axialströmungsrührer haben eine geringere Leistungsaufnahme und eine höhere Energieeffizienz, wodurch sie sich für filamentöse Pilze oder scherempfindliche Stämme eignen. Der Rührprozess ist relativ schonend, mit weniger Schaumbildung und geringerem Energieverbrauch. Die Nachteile sind die relativ geringere Gasdispersion und der niedrigere kLa-Wert, wodurch sie für Fermentationen mit schnellem Wachstum und extrem hohem Sauerstoffbedarf ungeeignet sind.
Die gebräuchlichste und empfohlene Konfiguration für einen 5-Liter-Glasfermenter ist ein 2- bis 3-lagiges Kombinationsrührwerk: ein unteres Turbinenrührwerk zur Gasdispersion, das das einströmende Gas in Mikrobläschen zerteilt; ein oberes Rührwerk mit schrägen Schaufeln zur axialen Zirkulation, das die Zellsedimentation verhindert und die dispergierten Bläschen aus der unteren Schicht gleichmäßig im gesamten Behälter verteilt; und ein mechanisches Entschäumungsrührwerk kann hinzugefügt werden.