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10.08.2017

Prima Klima im Bioreaktor

Ein neues Gasanalysegerät misst die Aktivität von Bakterien oder Zellen viel genauer als bisher und macht so die biotechnologische Wirkstoffproduktion effizienter.

Mit einem neuen Gasanalysegerät steigert Siemens die Effizienz in der biologischen Produktion von Arzneimitteln um bis zu 30 Prozent. Konkret geht es darum, den lebenden Zellen oder Bakterien, welche die Wirkstoffe produzieren, immer die besten Wachstumsbedingungen zu bieten. Je wohler sie sich in den Reaktoren – genannt Fermenter – fühlen, desto mehr produzieren sie. Außerdem entstehen weniger unerwünschte Nebenprodukte. Wie gut es den Organismen geht, sieht man daran, wie viel Sauerstoff sie in einer bestimmten Zeit zu Kohlendioxid umsetzen. Das neue Analysegerät Siprocess GA700 misst diese Kenngrößen viel genauer als es bisher möglich war. Damit können die Betreiber den Prozess im Fermenter präziser regeln und den Ertrag sowie die Qualität ihrer Produktion steigern.

Biotech-Unternehmen betreiben z.T. riesige Fermenter mit mehreren 10.000 Litern Fassungsvermögen. Darin leben Milliarden Bakterien, Hefezellen oder auch tierische Zellen, die Wirkstoffe produzieren. Die winzigen Produzenten sind allerdings empfindlich, was ihre Lebensbedingungen angeht. Änderungen, beispielsweise in der Gaszusammensetzung im Fermenter, können ihren Stoffwechsel langsamer machen oder sie sogar töten. Vor allem tierische Zellen sind wenig tolerant gegen schwankende Sauerstoffkonzentrationen im Fermenter.

Differenzbildung für hochgenaue Messungen

Die wichtigste Kenngröße für den optimalen Stoffwechsel der Organismen ist der sogenannte Respiratorische Quotient (RQ). Er beschreibt das Verhältnis der Menge an Kohlendioxid (CO2), welche sie in einem bestimmten Zeitraum abgeben und der Menge an Sauerstoff (O2), welche sie in derselben Zeit aufnehmen. Anhand des RQ wird der Prozess automatisch geregelt, also die Gaszusammensetzung der Zuluft oder die Nahrungsmenge angepasst.

Für den RQ werden bisher im Abgasstrom des Fermenters kontinuierlich die O2- und CO2-Konzentrationen gemessen. Das Problem besteht darin, dass die Messgeräte bislang einen relativ großen Bereich der Gaskonzentrationen abdecken (bei Sauerstoff z.B. 0 – 25 Prozent). Sehr kleine Konzentrationen lassen sich deshalb nicht fein auflösen, die Messung wird in diesem Bereich relativ ungenau.

Um das zu verbessern, setzt Siemens für Siprocess GA700 auf eine Differenzmessung, die sehr viel genauere Werte liefert. Dafür wird neben der Abluft auch die Zuluft zum Fermenter gemessen. Die zu einem bestimmten Zeitraum passenden Werte für die Sauerstoffkonzentration in Zu- und Abluft und der Kohlendioxidkonzentration in der Abluft werden voneinander abgezogen. Durch die Differenzbildung erhält man sehr viel genauere Messungen für O2-Aufnahme und CO2-Abgabe. Außerdem können externe Einflussfaktoren, beispielsweise Schwankungen in der Gaszusammensetzung der Zuluft, das Messergebnis nicht verfälschen.

Die neue Messmethode ist das derzeit schnellste und genaueste Analyseverfahren für Sauerstoffaufnahme (OUR – Oxygen Uptake Rate) und Kohlendioxidabgabe (CER – Carbon Emission Rate). Ihre Leistungsfähigkeit erkennt man an der hohen Auflösung bis in kleinste Messbereiche. Selbst bei derart kleinen Konzentrationen liefert die Methode sehr genaue Werte und ermöglicht damit, den Prozess im Fermenter sehr viel feiner und effizienter zu regeln als bisher.

Quelle: idw/Siemens AG

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Zur biotechnologischen Produktion von Wirkstoffen werden die Zellen in großen Fermentertanks unter definierten und meßtechnisch kontrollierbaren Bedingungen gezüchtet. Bild: Siemens AG

Zur biotechnologischen Produktion von Wirkstoffen werden die Zellen in großen Fermentertanks unter definierten und meßtechnisch kontrollierbaren Bedingungen gezüchtet. Bild: Siemens AG

Kontakt

Norbert Aschenbrenner
Redaktion
Siemens AG
norbert.aschenbrenner(at)siemens.com

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