Fermenter ohne Atemnot

Mit moderner Analysenmesstechnik Fermentationsprozesse optimal steuern

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10.03.2008 Industrielle Biotechnologie birgt eine besondere Herausforderung: Der Umgang mit großen Mengen lebender, hoch sensibler Mikroorganismen zur Gewinnung bestimmter Produkte erfordert große Präzision in der Ermittlung und Steuerung ihrer Lebensbedingungen und Wachstumsdynamik. Nur so kann ihr ungewolltes Absterben verhindert und eine optimale Ausbeute des Produktes gewährleistet werden. Innovative Analysenmesstechnik unterstützt diese Prozesse, auch mit dem Ziel größtmöglicher Reproduzierbarkeit und Wirtschaftlichkeit.

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Entscheider-Facts


  • Entscheidend bei der Fermentation ist, möglichst genau zu wissen, dass und vor allem wann das Bakterienwachstum in den frisch geimpften Fermentern beginnt.
  • Herkömmliche Verfahren – gleich welcher Art – sind mit Fehlern behaftet.
  • Ein speziell auf die Messaufgabe angepasstes Messsystem zur Vitalitätsmessung ermöglicht es, den Sauerstoffverbrauch der heranwachsenden Bakterienstämme kontinuierlich, zeitnah und präzise zu bestimmen.
  • Diese Lösung ist vielen bisher genutzten Vitalitätsmessverfahren deutlich überlegen.

Entscheidend bei der Fermentation ist, möglichst genau zu wissen, dass und vor allem zu welchem Zeitpunkt das Bakterienwachstum in den frisch geimpften Fermentern beginnt. Bei mehrwöchiger Fermentationsdauer gilt es darüber hinaus zu kontrollieren, ob sich das Wachstum wunschgemäß entwickelt, um maximale Produktivität zu gewährleisten. Genau das war bisher nur mit großem Aufwand oder unter Inkaufnahme größerer Messfehler möglich.

Herkömmliche Verfahren mit Fehlern behaftet

Häufig eingesetzte Verfahren waren bisher beispielsweise die Messung der optischen Dichte oder Viskosität, um zu bestimmen, wie viele Zellen tatsächlich im Fermenter heranreifen. Diese Messungen werden jedoch meist verfälscht, weil es aufgrund der fortlaufenden Luftzufuhr und -verteilung im Fermenter zu Blasenbildung kommt. Alternativ werden Massenspektrometer-Messungen eingesetzt, die jedoch sehr hohe Instandhaltungskosten verursachen, oder Bilderkennungsverfahren, die langsam sind und eine Probenahme aus dem Fermenter erfordern.

Das Verfahren, Sauerstoffverbrauch und Kohlendioxidentstehung zu messen, um die Vitalität der Bakterienstämme zu bestimmen, wird schon länger eingesetzt. Die Idee ist einfach: Funktionieren Stoffwechsel und Wachstum ideal, gleichen sich die beiden Größen (Respirationskoeffizient = 1), d.h. der verbrauchte Sauerstoff wird vollständig in CO2 umgesetzt. Solange dies nicht der Fall ist, kann über Temperatur, Druck, Luftzufuhr oder auch Rührgeschwindigkeit das Wachstum in engem Rahmen begünstigt werden. Sauerstoff-Partialdruckmessungen kommen dieser Messaufgabe nur begrenzt bei und haben sich als nicht ganz zuverlässig erwiesen.

Die Idee: Taupunktangleichung von Eingangsluft und Abgas

Deshalb liegt das Hauptaugenmerk nicht auf dem Fermenterinhalt, sondern auf einer Differenzmessung zwischen Eingangs- und Abluft. Dies hat den Vorteil, dass keine Sensorik im Fermenter erforderlich ist und der Prozess nicht gestört wird. Sie hat allerdings auch einen besonderen Haken: Während die Eingangsluft trocken ist, enthält das Abgas Feuchte. Ein unmittelbarer Vergleich der Gase und ihrer O2-Konzentrationen würde zu fehlerhaften Messergebnissen führen. In den ersten Entwicklungen wurden mit Trockner-Bauteilen die Feuchtewerte einander angeglichen. Die auf dem Markt erhältlichen Bauteile erwiesen sich jedoch als nicht optimal. Bei zu großer Feuchte leiden sie unter dem Kondenswasser und büßen betaut an Funktionsfähigkeit ein – und zwar unbemerkt, so dass sich Feuchtefehler einschleichen.

Bei den neuesten Systemen geht ein Hersteller deshalb andere Wege. Eine eigens entwickelte Probenaufbereitung setzt die Taupunkte beider Gase auf den gleichen Absolutwert.

Diese Lösung ist deutlich widerstandsfähiger und liefert – weil unabhängig von der Luftfeuchte – auch bei Feuchtegehalten unterhalb 5% präzise Messwerte. Außerdem ist sie wartungsfreundlich und ausfallsicher und auch in der Anschaffung günstiger. Entsprechende Messsanlagen haben sich bereits bei mehreren Pharmaunternehmen erfolgreich bewährt.

Heftausgabe: März 2008
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Über den Autor

Dr. Stefan Stieler , Geschäftsführung BIS Prozesstechnik
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