Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung eines neuartigen, nicht invasiven in situ Kombi-Sensors (ISICOM) zur Überwachung des metabolischen Zustands von Kultivierungsprozessen

Der Markt für (Bio-)Pharmazeutika hat mit weltweit ca. 700 Mrd. EUR eine enorme Bedeutung in der Weltwirtschaft erlangt. Mit dem steigenden Bedarf an Pharmazeutika geht ein steigender Bedarf an neuen Sensorkonzepten einher, die von KMU's entwickelt und geliefert werden können.

Um biotechnologische Prozesse sicher und effizient zu gestalten sind Sensoren nötig, die den Prozess- und besonders den Zellzustand möglichst nicht-invasiv und in situ erfassen. Vor allem Sensoren zur Beobachtung der metabolischen Aktivität der Zellen und zur Beurteilung des Zustands des Gesamtprozesses fehlen bisher.

In diesem Forschungsprojekt soll ein neuartiger in situ Kombi-Sensor (ISICOM) entwickelt werden, der den spezifischen Sauerstoffverbrauch der Zellpopulationen direkt im Reaktor während des Kultivierungsprozesses erfasst. Der ISICOM ist so konzipiert, dass nicht die gesamte Zellsuspension im Reaktor vermessen wird, sondern ein definiertes, zeitlich segmentiertes Volumen. Dazu besteht der Sensor aus einer kurzfristig, dicht verschließbaren Messkammer, die mit pH- und pO2- Sensoren basierend auf Glasfaseroptik beobachtet wird. Über eine integrierte Streulichtoptode ist außerdem die Biomassekonzentration bestimmbar. Bei geschlossener Kammer ist die spezifische Sauerstoffaufnahmerate direkt, mittels der dynamischen Methode, zugänglich. Der Vorteil dieser Sensorkombination ist, dass der ISICOM bei geöffnetem Messraum als konventionelle pH-, pO2- und Streulichtoptode arbeitet und mit den anderen Sensoren im Reaktor abgeglichen werden kann. Bei geschlossener Messkammer ist die qOUR der Zellen charakterisierbar, ohne den Kultivierungsprozess zu beeinflussen oder eine Probe aus dem Reaktor zu nehmen. Die online Beobachtung der biologischen Aktivität ist mit diesem Sensor ebenso möglich, wie die Überwachung von Stoffwechselvorgängen durch pH Wertänderungen. Das System wird im Projektverlauf konstruiert und seine Anwendung an verschiedenen biotechnologisch relevanten Systemen gezeigt.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Projekts wurde ein Sensor zur online Bestimmung der Sauerstoffaufnahmerate von Zellen in einem industrienahen Bioproduktionsprozess entwickelt und bei verschiedenen Kultivierungen eingesetzt. Die Bestimmung der spezifischen Sauerstoffaufnahmerate (qOUR) als Indikator für den metabolischen Zustand der Zellen aus den online Messwerten des Sensors war bei hohen Zelldichten in Bakterien- und Hefe-Kultivierungen nicht mehr möglich, da die Sensorik hierfür nicht ausreichend schnell genug war. In tierischen Zellkultivierungen hingegen, wo es bisher kaum Möglichkeiten zur Bestimmung der qOUR gibt, war die online Beobachtung dieser relevanten Messgröße erfolgreich. Erstmals konnte somit die metabolische Aktivität in tierischen Zellkulturen online beobachtet werden. Es waren Rückschlüsse auf die Lag-Phase, die Änderungen des metabolischen Zustands und der Produktivität der Zellen möglich.

Der entwickelte Sensor liefert für die Prozessentwicklung biotechnologischer Verfahren (Lebensmittel und Pharmazeutika) entscheidende Informationen zur Prozessoptimierung und -auslegeung. Bei der Prozessüberwachung ist mit dem Sensor eine frühzeitige Fehlchargenerkennung und Endpunktbestimmung möglich und damit eine Ressourceneinsparung.