Aufgaben der Gase in aeroben Bioprozessen

Sauerstoffversorgung:
Mikroorganismen und Säugetierzellen benötigen Sauerstoff, um zu leben, zu wachsen und sich zu vermehren – er ist ihr „Atem“.
Zu viel Sauerstoff kann zu oxidativem Stress, Veränderungen im Stoffwechsel und zu einer stärkeren mechanischen Belastung der Zellen führen – verursacht durch intensiveres Rühren oder eine höhere Gaszufuhr.
Für die meisten Prozesse liegt der optimale DO-Wert (Dissolved Oxygen) zwischen 20 und 40%.

Abfuhr von Kohlendioxid (CO₂):
CO₂ entsteht als Nebenprodukt des Prozesses. Zu hohe Konzentrationen können die Lösung ansäuern und die Zellentwicklung hemmen – deshalb muss CO₂ entfernt oder kontrolliert werden.

pH-Regulierung:
Gase wie CO₂ und Ammoniak beeinflussen den pH-Wert der Lösung. Der optimale pH-Wert hängt stark von der Organismenart ab:

• Bakterien (z. B. E. coli): pH 6,5–7,5
• Hefen (z. B. Saccharomyces cerevisiae): pH 4,5–6,0
• Pilze (z. B. Aspergillus): pH 4,0–6,5
• Säugetierzellen (z. B. CHO-Zellen): pH 7,0–7,4
• Algen: pH 6,5–8,5

Zur Kontrolle des pH-Werts werden Pufferlösungen wie Phosphat oder Bicarbonat eingesetzt, ausserdem Säure- bzw. Basenzugabe oder CO₂-Gas.

Sterilität und Druckkontrolle:
Inerte Gase wie Stickstoff (N₂) werden verwendet, um sterile Bedingungen aufrechtzuerhalten und das System zu beaufschlagen – ohne Sauerstoff einzubringen.

Redox-Gleichgewicht und Stoffwechsel:
In anaeroben oder mikroaerophilen Prozessen werden Gase wie Stickstoff (N₂) oder Wasserstoff (H₂) genutzt, um spezifische Redoxbedingungen zu schaffen. Dadurch werden Stoffwechselwege und Produktausbeuten gezielt beeinflusst.

Overlay- bzw. Kopfraumbegasung

Hierbei wird ein Gas oder Gasgemisch kontrolliert in den Kopfraum über der Flüssigkultur eingebracht. Diese Technik spielt sowohl in aeroben als auch in anaeroben Bioprozessen eine wichtige Rolle.

Wichtige Vorteile:

• Verbesserter Gas-Flüssig-Austausch: Leichter Überdruck im Kopfraum fördert den effizienten Austausch an der Gas-Flüssig-Grenzfläche.
• Kontaminationsschutz: Der Überdruck verhindert das Eindringen von Keimen aus der Umgebung und unterstützt sterile Bedingungen.
• Schaumreduktion: Overlay-Begasung kann die Schaumbildung verringern, ersetzt aber keine Antischaummittel.
• Geeignet für empfindliche Zellkulturen: Besonders bei anaeroben Fermentationen oder schersensiblen Zellen (z. B. CHO- oder Stammzellen) empfehlenswert.
• Bessere Ergebnisse in spezifischen Fermentationen: Praktische Erfahrungen zeigen deutliche Verbesserungen, z. B. bei Pichia pastoris-Fermentationen durch bessere Sauerstoffverfügbarkeit und Druckkontrolle.
• Reduzierter Scherstress: Im Gegensatz zum Sparging (Einblasen von Gas in die Flüssigphase) ist Overlay-Begasung nicht invasiv und schützt empfindliche Zellen.
• Verdunstungskontrolle: Die Verwendung befeuchteter Gase reduziert Medienverdunstung – besonders in kleinen Reaktoren oder Schüttelkolben.

Gaswahl:
Das Overlay-Gas kann dasselbe wie das Sparging-Gasgemisch sein (typischerweise Luft, O₂ oder CO₂) oder ein Inertgas wie Stickstoff – je nach Prozess, Organismus und Skalierungsanforderungen.

Overlay-Begasung wird häufig unterschätzt, ist aber ein entscheidender Prozessparameter in bioreaktorbasierten Anwendungen. Ihre gezielte Nutzung verbessert die Kulturleistung, gewährleistet Sterilität und unterstützt die Skalierbarkeit.