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ePaper created 2013-09-23, 14:05:17 | version 1.25.20
Ausgangssituation Ziel unserer Arbeiten im Bereich der industriellen Biotechno- logie ist es, Bioprozesse mithilfe moderner Messtechnik und mathematischer Modellierung so detailliert wie möglich zu analysieren und zu beschreiben. Dies ermöglicht eine effizi- ente Prozessoptimierung und Übertragung des Prozesses vom Labor- in den Produktionsmaßstab, da Änderungen im Prozess am Computer vorausberechnet werden und so nur erfolgver- sprechende Ansätze experimentell validiert werden müssen. Ein solches Vorgehen spart Entwicklungszeit und Kosten und erhöht gleichzeitig das Prozessverständnis. Zusätzlich bieten sogenannte Software-Sensoren weiteres Potenzial zur Kosten- einsparung. Hierbei werden Offline-Prozessparameter wie Bio- masse- und Produktkonzentration anhand von Online-Mess- größen, beispielsweise pH-Wert, Abgasdaten oder Verbrauch von Säure oder Base, geschätzt, was die Prozessüberwachung erheblich erleichtert und die Notwendigkeit von Probenahmen senkt. Vorgehensweise Grundvoraussetzung für die Maßstabsübertragung (Scale-up) ist ein Versuchssystem, welches der Produktionsanlage in Aus- stattung und Geometrie möglichst ähnlich ist. Daher arbeiten wir vorwiegend mit Mini-Bioreaktoren. In Form von Multifer- mentersystemen erlauben diese ein paralleles Screening ver- schiedener Stämme und Bedingungen. Durch Auswahl ge- eigneter Online-Mess- und Regelungstechnik ist es möglich, kritische Fermentationsparameter konstant zu halten und eine Datenbasis für eine mathematische Beschreibung des Pro- duktionsprozesses zu generieren. So ist es uns gelungen, eine Echtzeitmessung flüchtiger Komponenten im Medium anhand eines am Fraunhofer ICT entwickelten Online-Massenspekt- rometers zu etablieren. Außerdem verfügen wir über Offline- Prozessanalytik, womit Substrat- und Produktkonzentrationen zeitnah bestimmt werden können. Auf Basis dieser Daten wird das Verhalten der Produktionsstämme mathematisch model- liert. Dies beinhaltet die Etablierung von Software-Sensoren bis hin zur mechanistischen Beschreibung der gesamten Fer- mentation. Screening von Mikroorganismen Die Auswahl eines geeigneten Produktionsstammes ist ein wesentlicher Bestandteil der Entwicklung von Bioprozessen, beispielsweise der Ethanolproduktion aus Lignocellulose. Ver- schiedene Ethanolproduzenten konnten unter Verwendung der Multifermentersysteme erfolgreich charakterisiert wer- den (Abb. 1). Wichtige Parameter waren hierbei die Ethanol- produktivität und -ausbeute, die Produktselektivität und die Hemmstofftoleranz der einzelnen Mikroorganismen. Prozessbeobachtung durch Online-Messtechnik Das Online-Massenspektrometer konnte bereits für einen en- zymkatalytischen Prozess zur gleichzeitigen Konzentrations- bestimmung mehrerer Stoffe in wässriger Lösung eingesetzt werden. Damit konnten Reaktionsverläufe mit einer Empfind- lichkeit im unteren ppm-Bereich beobachtet werden. Der- zeit wird das Massenspektrometer als Analysegerät in einem biotechnologisch genutzten Druckreaktor implementiert und optimiert, um biotechnologische Verfahren mit gasförmigen Substraten bzw. flüchtigen Produkten untersuchen zu können. 9 4 MODELLGESTÜTZTE VERFAHRENS- ENTWICKLUNG UND OPTIMIERUNG VON BIOPROZESSEN Dipl.-Ing. Tino Elter, Dipl.-Ing. Matthias Stier, Thilo Haitz M. Sc. CHEMIE 1 2 3