Anlagenbau & Prozesstechnik

Damit sich Bakterien wohlfühlen

Siemens optimiert Fermentationsprozesse mit Prozessanalytik

14.11.2016 -

Der Respiratorische Quotient ist ein wichtiger Indikator zur Steuerung von Fermentationsprozessen. Ein neues Messverfahren zur hochpräzisen Ermittlung des O2-Verbrauchs sowie der CO2-Entstehung sorgt für Verhältnisse im Fermenter, die ein optimales Zellwachstum sicherstellen.

Biologisch erzeugte Wirkstoffe sind ein wachsender Trend in der pharmazeutischen Industrie. Im Mittelpunkt stehen dabei Fermentationsprozesse, die in speziellen Reaktoren ablaufen. In diesen Fermentern werden optimale Bedingungen beispielsweise für Hefezellen, tierische Zellen oder Bakterien geschaffen, sodass Zellen möglichst schnell wachsen und sich vermehren können. Fermenter müssen gezielt gesteuert werden, um ein optimales Zellwachstum und damit eine maximale Wirkstoffausbeute zu erzielen. Voraussetzung dafür sind zum einen detaillierte Kenntnisse über den Fermentationsprozess selbst. Zum anderen sind aber auch konkrete Messgrößen entscheidend, die es ermöglichen, den Prozess ständig zu überwachen und in einen automatischen Regelkreis einzubinden.

Respiratorischer Quotient als Wachstumsindikator

Der Respiratorische Quotient (RQ) ist eine solche Messgröße, die in der biologischen Pharmazie als Indikator für einen optimalen Zellstoffwechsel eingesetzt wird. Es handelt sich dabei um das Verhältnis zwischen der Kohlendioxidmenge (CO2), die in einer bestimmten Zeit abgegeben wird (Carbon dioxide Emission Rate, CER), und der Sauerstoffmenge (O2), die im selben Zeitraum aus der Luft aufgenommen beziehungsweise verbraucht wird (Oxygen Uptake Rate, OUR). Vereinfacht ausgedrückt kann man sagen, dass dieser Quotient ein Indiz für das Wohlfühlverhalten der Mikroorganismen im Fermenter ist. Liegt er im falschen Bereich, fühlen sich die Zellen nicht wohl und produzieren weniger Wirkstoff. Dabei können selbst geringe Schwankungen der Sauerstoffkonzentration zu einem trägen Stoffwechsel und sogar zum Absterben der Zellen führen. Für eine maximale Wirkstoffproduktion muss daher der Fermenter so gesteuert werden, dass der RQ immer im optimalen Bereich liegt.

Fehleinschätzung vorprogrammiert

Zur Ermittlung des aktuellen RQ wird einfach die CO2- und O2-Konzentration im Inneren des Fermenters gemessen. Dafür befinden sich entsprechende Sensoren im Abgasstrom der Anlage. Sie liefern dem Prozessrechner die Werte, die dann zur laufenden Berechnung des Indikators verwendet werden – ein Verfahren, das heute zum Standard gehört und zur Steuerung praktisch aller Fermentationsprozesse in der pharmazeutischen Industrie eingesetzt wird.

Das Problem liegt jedoch im Detail. Die verwendeten Messgeräte bilden normalerweise den kompletten Messbereich von 0 bis 25 Prozent ab. Diese relativ große Messspanne führt jedoch selbst bei präzisen Messgeräten immer wieder zu erheblichen Messfehlern. Das ist nicht immer unproblematisch, denn speziell bei tierischen Zellen können selbst kleinste Messfehler zu Folge haben, dass der Fermentationsprozess falsch gesteuert wird und damit keine idealen Bedingungen für einen möglichst optimalen Zellstoffwechsel erreicht werden.

Die Lösung wäre eine noch präzisere Erfassung der O2-Konzentration im Fermenter. Aber gerade dies ist mit der bisher üblichen reinen Abgasmessung kaum möglich.

Messfehler wirksam ausgeschaltet

Siemens hat für diese Problematik eine Lösung entwickelt, mit der die inhärenten Unzulänglichkeiten der herkömmlichen O2- und CO2-Messungen beseitigt werden. Dabei wird nicht einfach die Konzentration dieser beiden Werte in der Abluft gemessen, sondern auch die Zuluft des Fermenters in die Berechnung einbezogen. Mithilfe einer physikalischen Differenzmessung lassen sich dabei der tatsächliche Sauerstoffverbrauch und der beim Fermentationsprozess entstehende CO2-Ausstoß sehr präzise ermitteln. Das heißt, es wird erstmals das tatsächliche Verhalten des Fermenters erfasst, ohne dass zum Beispiel Schwankungen der Zuluft das Messergebnis verfälschen können. Auch unterschiedliche Taupunkte in der Zu- und Abluft können nicht mehr zu Messfehlern führen.

Intelligenter, präziser, zuverlässiger

Im Mittelpunkt der neuen Messtechnik steht das Analysegerät Siprocess GA700 im Zusammenspiel mit den Analysemodulen Ultramat 7 und Oxymat 7. Zur O2-Messung wird dabei das Siemens-eigene paramagnetische Wechseldruckverfahren eingesetzt. Diese Technologie ist derzeit das am schnellsten arbeitende extraktive CO2-Analyseverfahren, das selbst bei kleinsten Messvolumina exakte Ergebnisse liefert. Die Werte OUR und CER können mit der neuen Methode genauer bestimmt werden und geben so den tatsächlichen Stoffumsatz und die metabolische Aktivität an.

Die Methode zeichnet sich durch eine strikte Linearität aus und erlaubt eine O2-Messung in einem minimalen Messbereich von 0 bis 0,5 Prozent. Diese kleine Messspanne führt zu einer deutlich geringeren Messfehlertoleranz und ermöglich damit Verbrauchsmessungen einer bisher nicht gekannten Präzision.

Die Hardware ist auf hohe Wartungsfreundlichkeit ausgelegt. So lässt sich zum Beispiel ein ausgefallenes Analysegerät ganz einfach bei laufendem Betrieb austauschen, was eine hohe Verfügbarkeit der Messeinrichtung sicherstellt. Außerdem lassen sich über eine automatische Umschaltung beliebig viele Fermenter zu einem Messsystem koppeln. Das Wohlfühlverhalten der Mikroorganismen ist also unter allen Bedingungen sichergestellt und ein maximales Zellwachstum gewährleistet.

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