PUB - Publikationen an der Universität Bielefeld

The main intention of this work is the continuous and automatical monitoring of the growth of a cell culture (cell density, viability) in addition to using common online parameters (e.g. pH, pO2) as indicators for the culture condition. The combination of these two components results in a much more complete picture of the cell culture. To achieve this goal the sampling and the subsequent sample management of mammalian cell cultures in pilot scale was automated by using an autonomous service robot. Automation of the sampling procedure requires additional devices that perform operations, such as sampling the bioreactor, pipetting the sample, counting the cells with an automated cell counter and more. As one of the main components a reactor-connected sampling device which allows repeated sterile sampling into a vial was developed. At a given time the sampling is started automatically. The culture broth flow is divided into flushing and sampling. After the sampling the system is purged and steam sterilized and ready for the next cycle. Linking of the different operations is performed with an autonomous service robot. The robot consists of an industrial robot arm which is mounted on a mobile platform. To enable the service robot to perform the given tasks it is equipped with several sensors. Laser scanners are used for navigation in the laboratory, whereas a color camera in combination with a force/torque sensor are used to perform operations related to handling the sample vial. The device control system coordinates the sampling sequence and interaction between the devices and the robot. Additionally collected data and conditional parameters are stored and handed over to the process control system where the results are presented together with the online data.

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Das Ziel dieser Arbeit war die Etablierung einer kontinuierlichen, automatischen Überwachung des Wachstums einer Kultivierung tierischer Zellen (Zelldichte, Viabilität); diese Parameter sollten zusätzlich zu den üblichen Online-Parametern (z.B. pH, pO2) als Maß für den Zustand der Kultur dienen. Die Zusammenführung dieser Parameter ergibt ein vollständigeres Abbild der Kultivierung. Zum Erreichen dieses Ziels wurde die Probenentnahme aus dem Pilot-Bioreaktor und das nachfolgende Probenmanagement durch einen autonomen Serviceroboter automatisiert. Die Automatisierung der Probenentnahme und Probenbearbeitung erfordert weitere Systeme, die bestimmte Aufgaben durchführen. Solche Aufgaben sind zum Beispiel die Entnahme einer Probe aus dem Bioreaktor, Pipettieren der Probe, automatische Zellzählung und weiteres. Als eine zentrale Komponente wurde ein mit dem Bioreaktor verbundenes automatisches Probenentnahmesystem entwickelt, das die wiederholte, sterile Entnahme einer Probe aus dem Bioreaktor ermöglicht. Dabei wird die Probe in ein Probenröhrchen abgefüllt. Zu einem definierten Zeitpunkt startet die Probenentnahme automatisch. Dabei wird ein Teil der Probe als Vorlauf verworfen. Nach der Probenentnahme wird das System automatisch gespült, mit Dampf sterilisiert und ist bereit für die nächste Probenentnahme. Das Zusammenspiel der einzelnen Probenbearbeitungsschritte wird durch einen autonomen Serviceroboter ermöglicht. Der Roboter besteht aus einem Industrieroboterarm, der auf eine mobile Plattform montiert ist. Für die Durchführung der Aufgaben ist der Roboter mit diversen Sensoren ausgerüstet. Laserscanner ermöglichen die Navigation im Labor; die Kombination einer Farbkamera mit einem Kraft/Momentensensor führt die Bewegungen, mit denen das Probenröhrchen gehandhabt wird. Das Geräte-Kontroll-System koordiniert die Probenbearbeitungssequenz und das Zusammenspiel des Roboters mit den weiteren Systemen. Zusätzlich ermittelte Daten und optionale Parameter werden gespeichert und an das Prozess-Kontroll-System übergeben. Dort werden die Daten zusammen mit den Online-Parametern dargestellt.