Streulicht kontrolliert Bioreaktoren

  • 16. June 2017

Optisches Analysewerkzeug überwacht Wachstumsprozesse von Mikroorganismen.

Viele chemische und biotechno­logische Prozesse sind mit dem Entstehen, dem Wachstum oder der Verän­derung von Partikeln verbunden. Eine detail­lierte Beobachtung von Partikel­größe und Partikel­anzahl im laufenden Prozess ohne zeit- und arbeits­aufwändige Proben­entnahme soll die Über­wachung und Steuerung solcher Prozesse in Echtzeit zukünftig verein­fachen oder überhaupt erst ermöglichen. Im Projekt „Wave­scatter“ haben sich dazu vier Unternehmen und das Fraun­hofer-Institut für Laser­technik ILT zusammen­geschlossen. Ziel ist die Entwicklung einer winkel­auflösenden Wellen­leiter-Streulicht­sonde für die präzise Inline-Partikel­analytik.

Abb.: Ein gekrümmter Wellenleiter bildet die Basis einer optischen Tauchsonde für die winkelaufgelöste Streulichtmessung. (Bild: RWTH Aachen)

Abb.: Ein gekrümmter Wellenleiter bildet die Basis einer optischen Tauchsonde für die winkelaufgelöste Streulichtmessung. (Bild: RWTH Aachen)

Wirkstoffe für Medi­kamente werden heute zum großen Teil durch spezielle Mikro­organismen in Bio­reaktoren produziert, wo die Wachstums­prozesse von besonderer Bedeutung sind. Die Heraus­forderung liegt in der ständigen Über­wachung des Prozesses für einen optimalen Ablauf, um beispiels­weise die Nährstoff­zugabe an das Wachstums­verhalten der Mikro­organismen anzupassen. Eine regel­mäßige Proben­nahme mit nach­folgender Offline-Analyse der Mikroben­kultur ist nicht nur arbeits- und zeit­intensiv, sondern stellt auch eine mögliche Konta­minations­quelle für den Bioreaktor dar. Mit der im Wave­scatter-Projekt anvisierten Techno­logie wird eine Partikel­analytik entwickelt, die ohne Proben­verdünnung auch in optisch dichten Lösungen Partikel­größen zwischen wenigen Dutzend Nanometer und mehreren Mikro­metern in Echtzeit bestimmbar macht.

Ziel ist die Ent­wicklung einer optischen Tauch­sonde, welcher durch eine winkel­aufgelöste Streulicht­messung die Größen­verteilung von Partikeln etwa in Biofer­mentern bestimmen kann. Die Licht­führung in der Sonde erfolgt mit Hilfe von Wellen­leitern, die Licht­detektion mit einem CCD-Sensor. Aus dem winkel­aufgelösten Streulicht­signal können über die Partikel­größenverteilung Infor­mationen zu Zellgröße und Teilchen­zahldichte im Inneren des Bio­reaktors gewonnen und zur Prozess­steuerung verwendet werden. Eine Fremd­besiedelung durch uner­wünschte Mikro­organismen kann frühzeitig erkannt werden. Perspek­tivisch ist auch die Ermittlung von wichtigen zell­biologischen Parametern möglich.

Nach erfolg­reichem Projekt­abschluss steht der Prozess­analytik in den Bereichen Arzneimittel­herstellung und Lebensmittel­produktion ein neues Werkzeug zur Verfügung, mit dem Prozess­parameter einfacher, flexibler und umfassender in Echtzeit und ohne Probenahme erfasst werden können. Weitere Einsatz­gebiete können chemische Polymeri­sations­reaktionen, Kristalli­sationen oder Dispersions­prozesse sein.

Fh.-ILT / JOL

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Einführung in die Simulation von Halbleiter-Bauelementen

  • 30. November 2017

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