Atemkontrolle für Mikroben

Inline-Kohlendioxid-Messung zur Optimierung biotechnologischer Fermentationsprozesse?

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11.02.2013 Der rasche Fortschritt der Biotechnologie in den letzten Jahren hat zu einer enormen Vielfalt mikrobiologisch hergestellter Produkte geführt. In biotechnologischen Prozessen wird dabei das Wachstum von Mikroorganismen in Bioreaktoren (Fermentern) ausgenutzt, um die gewünschten Stoffe als Nebenprodukt im Zellstoffwechsel herzustellen und in weiteren Schritten zu reinigen.

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Entscheider-Facts Für Anwender

  • Zur Steigerung der Produktausbeuten von Pharmazeutika, Proteinen oder auch Antikörpern ist es erforderlich, die CO2-Konzentration dauerhaft auf einem niedrigen Niveau zu halten.
  • Der CO2-Sensor kombiniert die bewährte Messtechnologie nach dem Severinghaus-Prinzip mit dem Intelligent Sensor Management (ISM), um die Messung von gelöstem CO2 zu vereinfachen.
  • Der Sensor besitzt eine kurze Ansprechzeit und lie-fert zusammen mit der hohen Signalstabilität ein zuverlässiges Inline-Messsystem, das dem gleichen CO2-Partialdruck ausgesetzt ist wie die Mikroorga-nismen. Durch diese Eigenschaften liefert das Gerät wichtige Daten über den CO2-Gehalt im Fermenter in Echtzeit.
  • Durch die Kombination aus Messtechnik und computergestützter Steuerung lässt sich der Sensor ideal in biotechnologischen Anwendungen (Fermentation) einsetzen.

Während des mikrobiologischen Zellwachstums werden im Stoffwechsel Kohlenhydrate zu Kohlendioxid (CO2) und Wasser unter Verbrauch von Sauerstoff (O2) „veratmet“. Das Wissen um diese beiden Analyseparameter Sauerstoff und Kohlendioxid bildet eine geeignete Basis für eine erfolgreiche Prozesssteuerung und -regelung, da das Verhältnis und die Konzentration der verschiedenen Bestandteile des Nährmediums entscheidend für den O2-Verbrauch und die entsprechende CO2-Bildung ist. Daher können durch Messung dieser beiden Parameter Optimierungen bei den Herstellungsbedingungen initiiert werden.

Für großtechnische Herstellungsprozesse ist die verlässliche Messung von CO2 essentiell, da mit steigendem Anteil Biomasse ebenfalls die Akkumulation von Kohlendioxid rasant ansteigt, wodurch jedoch das Zellwachstum inhibiert wird und dadurch direkt den biotechnologischen Herstellprozess in Mitleidenschaft zieht. Zur Steigerung der Produktausbeuten von Pharmazeutika, Proteinen oder auch Antikörpern ist es daher erforderlich, die CO2-Konzentration dauerhaft auf einem niedrigen Niveau zu halten.

Hieraus ergibt sich die Notwendigkeit, den CO2-Gehalt im Bioreaktor in Echtzeit zu erfassen, um geeignete Maßnahmen treffen zu können.

Messen nach bewährtem Prinzip
Die zuverlässige Bestimmung des CO2-Gehalts basiert auf dem Messprinzip nach Severinghaus, das die Konzentrationsbestimmung des im Nährmedium gelösten Kohlendioxids auf die pH-Messung zurückführt.

Der elektrochemische Sensor, der nach diesem Messprinzip arbeitet, ist mit einer CO2-permeablen Membran ausgestattet, die über eine pH-Elektrode gespannt ist. Zwischen der speziellen Membran und dem pH-sensitiven Glas der Elektrode ist ein Elektrolyt eingebracht, der in der Lage ist, mit Kohlendioxid zu reagieren.

Während der CO2-Messung diffundiert das im Nährmedium gelöste CO2 durch die Sensormem-bran, reagiert dann mit dem Elektrolyten und bildet HCO3– und H+. Aus dem resultierenden pH-Wert und der gleichzeitig gemessenen Temperatur berechnet dann der am Sensor angeschlossene Transmitter die CO2-Konzentration und konvertiert diese in CO2-Einheiten. Die Veränderung des pH-Werts des Elektrolyten korreliert mit dem Partialdruck des CO2:
CO2 + H2O HCO3- + H+
Durch die Echtzeit-Messung der CO2-Konzentration im Nährmedium lassen sich somit die Risiken einer Überdosierung an Nährmedium und die Überproduktion zelltoxischer Substanzen minimieren.

Eine Kombinationsmessung von Sauerstoff und Kohlendioxid in Echtzeit eröffnet dem Anwender folgende Möglichkeiten:

  • Entwicklung einer effizienten Fütterungsstrategie der Zellkulturen;
  • Optimieren der Qualität/Quantität der hergestellten Produkte;
  • Inline-Messung schließt Fehler durch Labormessungen an gezogenen Proben aus.

Einfache Messung von gelöstem Kohlendioxid
Das Messsystem Inpro 5000i kombiniert die bewährte Messtechnologie nach dem Severinghaus-Prinzip mit dem Intelligent Sensor Management (ISM), um die Messung von gelöstem CO2 zu vereinfachen. Das Messsystem lässt sich anwenderfreundlich handhaben und ist ohne besonderen Aufwand in praktisch alle Arten vorhandener Fermenter einzubauen. Der Sensor besitzt eine kurze Ansprechzeit und liefert zusammen mit der hohen Signalstabilität ein zuverlässiges Inline-Messsystem, das dem gleichen CO2-Partialdruck ausgesetzt ist wie die Mikroorganismen. Durch diese Eigenschaften liefert das Messsystem dem Anwender wichtige Daten über den CO2-Gehalt im Fermenter in Echtzeit.

Die semipermeable Hochleistungsmembran des Sensors ist nur für CO2 durchlässig – so dass eine Querempfindlichkeit durch andere Stoffe, wie beispielsweise flüchtige organische Säuren, wie sie bei Fermentationen oft entstehen, ausgeschlossen wird.

Die mit dem Nährmedium in Kontakt stehenden FDA-konformen Materialen verhindern durch eine PTFE-Beschichtung sowie einer besonderen Oberflächenrauheit Biofouling oder sonstige Ablagerungen. Zusammen mit dem nach EHEDG zertifizierten Design ist der Sensor auf volle Sterilisierbarkeit ausgelegt und erfüllt alle Anforderungen hygienischer Prozesse.

Einfache Sensorsteuerung
Neben den messtechnischen Eigenschaften des Sensors ist das Bedienen und Warten durch die Nutzung der Intelligent Sensor Management-Technologie besonders anwenderfreundlich gestaltet. Nach Kalibrieren und Justieren des Sensors werden die relevanten Daten im Sensorkopf gespeichert. Dadurch ist es zum Beispiel möglich, ISM-Sensoren wie den Inpro 5000i unter Laborbedingungen zu warten und anschließend wieder in den Prozess einzuführen. Die nach dem SIP-Prozess anstehende 1-Punkt-Prozesskalibrierung ist einfach durchzuführen und passt die bereits im Sensorkopf gespeicherte Kalibrierung an den jeweiligen Prozess an.

Diagnosefunktionen überprüfen die Leistungsfähigkeit des Sensors in Echtzeit und sagen auf Basis der aktuellen Prozessbedingungen voraus, wann die nächste Wartung fällig ist. Ebenso können Sensorinformationen vor jedem Fermentationslauf erhalten werden, so dass der Sensor die höchste Messleistung bieten kann. Folgende Funktionalitäten erleichtern die Prozesskontrolle mit ISM:

  • „Plug and Measure“ mit vorkalibrierten Sensoren,
  • digitale Signalübertragung,
  • TTM – Time to Maintenance (Diagnosetool zur Sensorwartung),
  • ACT – Adaptive Calibration Timer (Diagnosetool zur Kalibrierung) sowie
  • DLI – Dynamic Lifetime Indicator (Diagnosetool zur Sensorlebensdauer).
  • Zur einfachen Handhabung der ISM-Sensoren wird die Isense Asset Suite verwendet. Sie ist besonders benutzerfreundlich gestaltet und ermöglicht das Verwalten und Warten der Sensoren am Computer:
  • Kalibrieren direkt am PC/Notebook mit Erstellung eines umfassenden Kalibrierprotokolls;
  • Prüfen und Beurteilen von Sensoren;
  • grafische und numerische Darstellung der Diagnosedaten;
  • Verwalten aller Sensoren in einer Datenbank und
  • vollständige Rückführbarkeit für lückenlose Dokumentation des „Sensor Life Cycle“ für QM/QS-Zwecke.

Durch Kombination aus Messtechnik und computergestützter Steuerung lässt sich der Sensor ideal in biotechnologischen Anwendungen einsetzen.

Lounges / Visionpharma Stand G3.6

Powtech 2013 Halle 1 – 413

Heftausgabe: Februar 2013
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Über den Autor

Dr. Klaus-Peter Mang, Mettler-Toledo
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