pH-Regelung in einem Bioreaktor

"Damit die Zellen nicht sauer werden": Regelung des pH-Wertes in einem Bioreaktor für embryonale Stammzellen

in Zusammenarbeit mit M. Decker, AG Exp. Chirugie, CVK, CharitéCentrum 8, (Direktor: Prof. Dr. P. Neuhaus)

Für die Zellen in einem Bioreaktor soll eine Umgebung geschaffen werden, die eine organtypische Ausübung der Zellfunktionen erlaubt. Hierzu werden die Zellen mit einem speziellen Zellkulturmedium versorgt.

Es werden Substanzen, die von den Zellen benötigt werden, z.B.

• Zucker,
• Aminosäuren,
• Vitamine

hinzu gegeben. Gleichzeitig sollen die überwiegend sauren Stoffwechselprodukte der Zellen soweit wie möglich neutralisiert werden, um einen physiologischen pH-Wert im Zellkompartiment aufrecht zu erhalten. Für die Neutralisation werden Puffer eingesetzt. Diese haben die Aufgabe einen definierten pH-Wert über längere Zeit konstant zu halten, auch wenn Säuren oder Basen von den Zellen gebildet werden.

Zur Regelung dieses pH-Wertes in einem perfundierten Bioreaktorsystem wurde ein spezielles Gerät entwickelt. Dieses Gerät enthält ein Messgerät für die Messung des pH-Wertes, Ventile die als Stellglied eingesetzt werden und ein Gasgemisch erzeugen sowie einen Mikrocontroller der hier als Regler genutzt wird. Außerdem wurde ein Programm zur Protokollierung der während der Regelung anfallenden Messdaten realisiert.

Der pH-Wert im Zellkulturmedium wird berührungslos vom Sensor erfasst und zum Regler übertragen. Der implementierte PI-Regelalgorithmus berechnet daraus die Stellgröße und sendet diese an die Ventile, welche ein konstantes Gemisch erzeugen, das die Kapillaren des Bioreaktors durchströmt. Weiterhin wurde das Stör- und Führungsverhalten der Regelung untersucht.

Einen Überblick über den pH-Wert und die gesamten Gasdurch-flüsse während der Regelung gibt das erstellte Programm zur Protokollierung in Form von Graphen und einem LC-Display, welches vom Regler angesteuert wird.