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Inline-Überwachung und -Regelung So beschleunigen Sie die Verfahrensentwicklung

| Autor / Redakteur: Dipl.-Ing (BA) Martina Walzer / Dr. Jörg Kempf

Um bei der Entwicklung neuer oder bei der Optimierung bereits etablierter Verfahren schnell ans Ziel zu kommen, bedarf es integrierter Hilfsmittel. Erfahren Sie am Beispiel eines Fermentationsprozesses, wie zugeschnittene leittechnische Lösungen, kombiniert mit intelligenter Messtechnik, die Verfahrensentwicklung beschleunigen und gleichzeitig die Qualität erhöhen.

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(Bild: Boehringer Ingelheim)

Biologisch abbaubare Kunststoffe etablieren sich zunehmend am Markt. Sehr bekannt ist die Polymilchsäure (PLA, Polylactic acid), ein biobasierter und bioabbaubarer/kompostierbarer Polyester. Anwendungen des Polymers finden sich in unterschiedlichen Bereichen, z.B. als Einwegwerkstoff für Cateringartikel, als Fasern für den Textilbereich oder als Fäden in der Medizintechnik. PLA wird aus dem Monomer Milchsäure hergestellt; letztere kann sowohl biotechnologisch über eine Fermentation von Kohlehydraten (Zucker, Stärke) wie auch synthetisch auf der Basis petrochemischer Rohstoffe (Acetaldehyd) erfolgen. Der größte Teil der derzeit produzierten Milchsäure wird fermentativ hergestellt.

Fermentation bezeichnet in der Biotechnologie die Umsetzung von biologischen Materialien durch Bakterien, Pilz- oder Zellkulturen oder durch Zusatz von Enzymen. Für die Herstellung von Milchsäure in einem Bioreaktor kann Glukose durch Milchsäurebakterien oder andere Mikroorganismen umgewandelt werden. Bei der Entwicklung und Optimierung der Herstellverfahren leistet die integrierte Technik von Siemens wertvolle Hilfe. Hier gilt es, möglichst hohe Produktausbeuten mit hoher Qualität zu erzielen. So sind neben einer geeigneten Produktionsfahrweise (kontinuierlich, Batch- oder Fed-Batch-Betrieb) optimale Umgebungsbedingungen notwendig; hierzu gehören u.a. die Temperatur,der Gehalt an gelöstem Sauerstoff und der pH-Wert.

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Dr. Martin Joksch, Wissenschaftler bei Siemens Corporate Technology in Wien, erklärt die dabei unterstützende Technologie: „Um fortlaufend relevante Prozessparameter zu erfassen, zu interpretieren und bei Abweichungen entsprechende korrigierende Eingriffe vornehmen zu können, haben wir in unserem Entwicklungslabor eine integrierte automatisierungstechnische Lösung mit Analysatoren, PCS 7 LAB Collection und Sipat im Einsatz. Wir erfassen die relevanten Prozesswerte inline, das heißt direkt am Ort des Geschehens, und werten diese in Echtzeit aus. Basierend auf diesen Werten können sofort regelungstechnische Eingriffe erfolgen, um den Fortlauf des Fermentationsprozesses sicherzustellen“.

Parameter in Echtzeit überwachen und regeln

Die Wichtigkeit von Inline-Messungen der verschiedenen Parameter sei hier am Beispiel des pH-Wertes erläutert. Dieser hat für die Fermentation besondere Bedeutung, da die Organismen oft nur in einem eingeschränkten Toleranzbereich arbeiten und es zudem einen optimalen Arbeitspunkt gibt. Da der Stoffwechsel der Organismen selbst jedoch den pH-Wert beeinflusst, muss mit der Zugabe von Säure bzw. Basen dafür gesorgt werden, dass dieser innerhalb einer gewissen Bandbreite (Toleranzband) bleibt. So wird das Wachstum der Zellkultur ermöglicht und damit letztendlich der Umwandlungsprozess zu Milchsäure gesichert.

Diese Eigenschaften erfordern somit die kontinuierliche Überwachung (Analyse) der Umgebungsparameter. Da jedoch das Ergebnis einer Laboranalyse nach einer Probenentnahme nicht sofort vorliegt, geht wertvolle Zeit für korrigierende Eingriffe verloren, was unter Umständen zur Unbrauchbarkeit des Ansatzes führt.

Im Gegensatz dazu zeichnen sich Inline-Verfahren dadurch aus, dass die Analysegeräte ständig direkt mit dem Prozess verbunden sind. Der gesamte Analyseablauf verläuft dabei kontinuierlich und automatisch. Diese ständige und unmittelbare Erfassung prozessrelevanter Stoffgrößen ermöglicht eine schnelle Reaktion auf Prozessänderungen durch die übergeordnete Leittechnik. Dies hilft mit, den Prozess zu optimieren und die Produktqualität sicherzustellen, was letztendlich wesentlich zur Effizienzsteigerung und zur Senkung der Entwicklungskosten beiträgt.

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