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Optimierte Leistung durch intelligente Sensoren

Sensoren für Zustandskontrolle in Bioreaktoren

28.05.2023
von Redaktion VERFAHRENSTECHNIK
Intelligente Sensoren für die Zustandskontrolle in Bioreaktoren eröffnen neue Möglichkeiten im Gesundheitswesen und in der Pharmaindustrie

Intelligente Sensoren für die akkurate Zustandskontrolle in Bioreaktoren eröffnen neue Möglichkeiten im Gesundheitswesen und in der Pharmaindustrie. Durch die Integration von vernetzten Überwachungssystemen können Hersteller von Medizinprodukten höhere Erträge und nützliche Zusatzfunktionen zu angemessenen Kosten anbieten.

Um in Bioreaktoren ideale physiochemische Bedingungen zu schaffen und schnelle Anpassungen für spezifische Zellkulturen vorzunehmen, ist die Messung folgender Parameter in einem Bioreaktor erforderlich:

  • pH-Wert
  • Temperatur
  • Luftfeuchtigkeit
  • Gas- und Flüssigkeitskonzentration
  • Gas- und Flüssigkeitsdurchfluss
  • Druck im Headspace

In den meisten Fällen wird die Temperatur während der Zellkultivierung bei 37 °C und die CO2-Konzentration bei 5 % gehalten. In einigen Fällen müssen diese Parameter fein justiert werden, um den erforderlichen pH-Bereich zu erreichen, dem Priorität eingeräumt wird.

Häufig bedarf es eines pH-Werts zwischen 7 und 7,4. Die Stabilisierung in diesem engen Bereich kann eine Herausforderung sein, da mehrere andere Parameter wie Temperatur, Zellwachstum, Milchsäure und CO2-Gehalt gleichzeitig ausgeglichen werden müssen. Dies kann durch sogenannte Puffer geschehen, die jede zusätzliche Säure (H+-Ionen) oder Base (OH-Ionen) neutralisieren, um den pH-Wert stabil zu halten.

Außerdem muss die Sauerstoffkonzentration präzis gesteuert werden. Für die meisten Zellkulturen wird sie bei 20 % gehalten, doch gelegentlich wachsen einige Kulturen unter anderen Bedingungen besser. Schließlich sollte die Luftfeuchtigkeit auf einem stabilen Niveau sein und in Echtzeit überwacht werden, um Ausfälle des Belüftungssystems zu erkennen. Das Gleiche gilt – insbesondere in Einwegbioreaktoren – für den Druck im Headspace, da die flexiblen Kunststoffbeutel einem Überdruck von einigen hundert Millibar nicht über einen längeren Zeitraum standhalten können.

Viele Parameter überwachen

Bei der Schaffung von Bedingungen in Bioreaktoren spielen vernetzte Sensoren eine Schlüsselrolle. Mehrere intelligente Sensorsysteme für die hochpräzise Steuerung und die akkurate Überwachung der physiochemischen Prozesse heben die Kultiviergeräte auf die nächste Leistungsstufe.

Ein Vorteil eines intelligenten Kontrollsystems ist die Aufzeichnung von Sensordaten einschließlich der Speicherung in einer Datenbank.

Ein Vorteil eines intelligenten Kontrollsystems ist die Aufzeichnung von Sensordaten einschließlich der Speicherung in einer Datenbank.

Aufgrund gegenseitiger Abhängigkeiten der verschiedenen Parameter kann sich ein erfolgreiches Zellwachstum als ein komplexes Unterfangen erweisen. Der einfachste und kostengünstigste Weg, das Wachstum organischer Materialien zu optimieren, ist die konsequente Steuerung und Überwachung der Kultivierungsbedingungen in einem geschlossenen Kreislauf. Stabile Umgebungen sind besonders wichtig in der F&E-Phase der Arzneimittelentwicklung und bei der Massenproduktion empfindlicher Arzneimittel. In solchen Fällen können bereits kleine, kurzzeitig auftretende Abweichungen den gewünschten Ertrag beeinträchtigen.

Mit Hilfe modernster Sensoren mit Echtzeit-Feedback können Bioreaktoren nicht nur die Bedingungen umgehend und exakt ändern, sondern auch unerwünschte Zustände erkennen. Bei abweichenden Sollwerten löst das System automatisch einen Alarm aus und blockiert den Behälter, um Schäden vorzubeugen, bei denen teure Substanzen verschwendet werden (wie im Fall eines Überdrucks in Einweggeräten).

Dementsprechend werden verschiedene Sensortypen verwendet, um unterschiedliche Fehlerzustände zu erkennen. So werden beispielsweise Sensoren zur Überwachung der Flüssigkeitskonzentration auch eingesetzt, um zu überprüfen, ob die richtige Flüssigkeit eingespritzt wird. Das Gleiche gilt für Flüssigkeitsdurchflusssensoren, die zur Messung des gesamten abgegebenen Volumens (insbesondere bei teuren Flüssigkeiten) und zur präzisen Dosierung mehrerer Flüssigkeiten eingesetzt werden, um die richtigen Konzentrationen sicherzustellen. Dies betrifft auch Gasdurchflusssensoren. Kurz: Feedbackschleifen tragen zur Optimierung der Prozesssicherheit und -zuverlässigkeit bei.

Darüber hinaus kann es bei einigen Bioreaktoren hilfreich sein, mehrere Sensoren desselben Typs einzusetzen – beispielsweise einen am Einlass und einen am Auslass des Gefäßes. Solche räumlichen Informationen ermöglichen ein besseres Verständnis der physiochemischen Prozesse in der Zellkultur.

Ein weiterer Vorteil eines intelligenten Kontrollsystems ist die Aufzeichnung von Sensordaten einschließlich der Speicherung in einer Datenbank. Sollte das Wachstum mangelhafte Ergebnisse hervorrufen, sorgt ein leicht zugängliches Logbuch mit allen gemessenen Parametern für Klarheit. Vor allem aus Sicherheitsgründen und zu Forschungszwecken kann es von großem Nutzen sein, auf die Datenhistorie des Kultivierungsprozesses zuzugreifen.

Die Lösung

Jüngste Fortschritte bei MEMS-basierten Sensoren haben zu kompakten, stromsparenden und leistungsstarken Lösungen geführt, die sich auch für Einwegbioreaktoren eignen (die im Vergleich zu herkömmlichen Bioreaktoren geringere Mengen an Wasser und Reinigungsmitteln sowie keine Reinigungs- und Wartungsprozeduren erfordern). Neben Umweltgründen zeichnen sich solche Anwendungen auch durch geringere Kosten und bessere Umsatzraten aus.

Die biokompatiblen Sensoren von Sensirion lassen sich einfach in bestehende Bioreaktoren integrieren, sodass Anwender ihre Apparate aufrüsten können, anstatt neue anzuschaffen. Die digitalen Sensoren des Schweizer Herstellers decken weite Messbereiche ab, ohne dabei ihre hohe Akkuratheit bis zu den kleinsten Werten hinunter zu verlieren.

Quelle: Sensirion, Autorin: Barbara Thurnherr, Marketing & Communications, Sensirion AG, Stäfa, Schweiz

 

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