Gasmanagement in Bioreaktoren

Für einen Bioprozess ist entscheidend, dass die zahlreichen Teilsysteme der Prozessanlage zuverlässig miteinander arbeiten. In einem Bioreaktor, einem der wesentlichsten Subsysteme, kommt es unter anderem auf das Management der für den Zellstoffwechsel erforderlichen Gase und Flüssigkeiten an. Herzstück des Gasmanagements ist der thermische Massendurchflussregler (MFC), der die Zufuhr von Gasen zum Bioprozess präzise misst und regelt.

In Bioreaktoren werden Mikroorganismen im Batch-Verfahren gezüchtet. Die lebenden Zellkulturen einfacher Bakterien oder komplexerer Mikroben werden mit Nährstoffen (z.B. Glukose, Glycerin/Methanol) und Spurenelementen versorgt. Viele dieser Zellkulturen reagieren extrem sensibel auf instabile Umgebungsbedingungen – schon geringe Schwankungen der Temperatur oder des pH-Wertes gefährden die Produktion. Wenn jedoch alles passt, vollbringen die Kulturen biochemische Höchstleistungen, wie die Glykolisierung, also die Bindung von Zuckerketten an Proteine. Mithilfe dieser Prozesse können Proteine wie Insulin, monoklonale Antikörper, Wachstumshormone, Antibiotika oder eben Impfstoffe produziert werden.

Sichere Prozessumgebung für optimales Zellwachstum

Für den funktionierenden Zellstoffwechsel der Kulturen ist eine stabile Prozessumgebung maßgeblich. Schon minimale Abweichungen und Störungen können die Zellen schädigen oder sogar zerstören und dadurch eventuell zum Verlust eines ganzen Batches führen. Darum ist eine präzise Steuerung des Bioprozesses elementar. Mit den Massendurchflussreglern neuester Generation lassen sich Bioprozesse exakt steuern und kontrollieren. Die Reaktionsgeschwindigkeit der modernen MFC spielt eine wichtige Rolle, wenn Grenzwerte bei Parametern wie Temperatur, Rührgeschwindigkeit, gelöstem Sauerstoff (DO), pH-Wert und Druck unter- oder überschritten werden.

Auch die Verlässlichkeit der Regelung ist wichtig. Komplett dicht schließende Ventile (‚zero-leak-by‘) stellen sicher, dass die zugeführten Mengen und Rezepturen präzise eingehalten werden. Die Stabilität und Reproduzierbarkeit des MFC gewährleisten die Aufrechterhaltung eines optimalen DO-Gehalts und pH-Werts in engen Grenzen. Dazu werden MFC regelmäßig mit primären Referenzstandards validiert und kalibriert. Jeder während periodischer Überprüfung festgestellte ‘Out of Tolerance‘-Zustand stellt eine Abweichung dar, die unter Umständen Auswirkungen auf die vorherige(n) Charge(n) haben kann.

Damit etwaige Probleme von Komponenten, Subsystemen oder Bioreaktoren in Echtzeit diagnostiziert, vorhergesagt und, falls nötig, korrigiert werden können, müssen die gesamten Prozesse koordiniert werden. Auch hier helfen digitale MFC.

Je leistungsfähiger der MFC, desto effizienter der Bioprozess

Ein intelligenter MFC bietet nämlich viel mehr als nur die Steuerung der Gaszufuhr. Er verfügt über native Funktionen, die die gesamte Bioproduktion sicherer machen und ihre Performance steigern. So kann ein digitaler MFC zum Beispiel in Verbindung mit anderen Datenquellen in Bioprozessanlagen (z. B. Sensoren, Sonden) eine Vielzahl von Daten sammeln, die die Abläufe und kritischen Prozesse innerhalb der Produktion optimieren. Essenziell ist die Qualität der Datenübermittlung und Echtzeitkontrolle, die das Netzwerkprotokoll gewährleistet. Analoge Technologien werden zunehmend durch digitale Kommunikationsprotokolle ersetzt: Klar im Trend sind Ethernet-basierte Protokolle wie Ethernet/IP, EtherCAT oder Profinet, wie sie beispielsweise in den neuen MFC der SLA-Serie Biotech bereits integriert sind.

Digitalen Protokollen gehört die Zukunft

Erst durch digitale Protokolle lassen sich die vielfältigen Funktionen moderner Steuerungs-, Diagnose- und Alarmfunktionen nutzen. Sie vernetzen Sensoren, Antriebe, Pumpen, Messgeräte, Regler und vieles mehr mit der zentralen Steuerung oder SPS. In den MFC mit Profinet-Protokoll sind beispielsweise bereits viele Alarm- und Diagnosefunktionen implementiert, die zu einem erheblich geringeren Aufwand bei der Wartung und Instandsetzung führen. Vom Kalibrierintervall bis zum Firmware-Update helfen die Funktionen der Durchflussregler bei der vorausschauenden Wartung: Mithilfe der Daten lassen sich Kalibrierintervalle auslesen und koordinieren. Servicezeiten können besser geplant und unproduktive Stillstände reduziert werden.