Organismen sind komplexe Systeme, die auf den Austausch von Nährstoffen, Gasen und Flüssigkeiten angewiesen sind. Beispiele für solche Systeme sind das Kreislaufsystem, das Atmungssystem und der Verdauungstrakt. Die Zellen in diesen Systemen sind ständig dynamischen Bedingungen ausgesetzt und erfahren mechanische Kräfte sowie wechselnde Molekülgradienten durch die sie umgebenden Flüssigkeits- oder Luftströme. In Bioreaktoren können Zellen unter dynamischen Bedingungen außerhalb des Körpers kultiviert werden, wobei Strömungen wie Blut, Gas und Chymus simuliert werden. Dadurch können die auf die Zellen wirkenden Kräfte in ihrer Wirkung nachgeahmt werden, um Variationen in der Zusammensetzung des Mediums zu ermöglichen und die Verteilung von Nährstoffen und Abfallprodukten zu verbessern.

Bioreaktoren spielen nicht nur aufgrund der verbesserten Durchmischung der Medien eine wichtige Rolle bei der Skalierung von Zellkulturexperimenten, sondern ermöglichen auch eine genauere Simulation physiologischer Parameter. So können beispielsweise Suspensionsreaktoren größere Zellmassen in kleinen Volumina kultivieren, was für industrielle Hochdurchsatzprojekte wie die Impfstoffproduktion von großer Bedeutung ist. Durch die Kombination von Messtechniken zur kontinuierlichen Überwachung wichtiger Zellkulturparameter, wie dem pH-Wert, dem Sauerstoffgehalt, der Glukosekonzentration und der Zellmorphologie, erleichtern Bioreaktoren die Automatisierung von Zellkulturprozessen. Sie sind somit ein wesentlicher Bestandteil auf dem Weg zu vollautomatischen Produktionsanlagen.

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Suspensionsreaktor in einem Zellinkubator. Im Suspensionsreaktor (Glaskolben) können Zellen in Suspension, also schwimmend, kultiviert werden. Ein Rotor sorgt ähnlich einer Schiffsschraube durch eine stete Durchmischung der Zellsuspension, um Verklumpungen entgegenzuwirken. Über ein an Pumpen angeschlossenes Schlauchsystem können Zellen automatisiert entnommen und mittels einer integrierten Kameraeinheit (orangene Struktur im Vordergrund) optisch analysiert werden.