Präzises Fed-Batch Bioreaktor Monitoring mit Bronkhorst Massenflussregelung und fermSYS - VOC-Sensorik
Bei fed-batch-basierten Bio-Prozessen ist das exakte Verfolgen von Arbeitsvolumen und biologischer Aktivität entscheidend. In Kooperation mit Bronkhorst High-Tech und der Westfälischen Hochschule Recklinghausen wurde gezeigt, wie die Kombination aus nicht-invasiver Headspace-Druckmessung und der fermSYS - VOC-Sensorik metabolische Phasenwechsel ohne Probenahme in Echtzeit sichtbar macht.
Die Herausforderung
In Fed-Batch-Prozessen verändert sich das Flüssigkeitsvolumen durch die kontinuierliche Zufuhr von Nährmedium laufend. Für eine präzise Prozessführung und Massenbilanzierung muss dieses Arbeitsvolumen exakt nachverfolgt werden. Gleichzeitig wird die metabolische Aktivität des Organismus (z. B. Hefe) in der Praxis häufig noch über zeitverzögerte Offline-Probenahmen bestimmt, was eine direkte, automatisierte Reaktion auf Stoffwechselveränderungen erschwert.
Der Lösungsansatz
Ein integrierter Versuchsaufbau an der Westfälischen Hochschule Recklinghausen vereint zwei komplementäre Technologien:
Volumen-Tracking via Headspace-Differenzdruck: Ein Bronkhorst Flexi-FLOW ermittelt Volumeneffekte im Bioreaktor über feinste Druckveränderungen.
Echtzeit-Metabolismus über VOC-Sensorik: Die fermSYS VOC-Sensorik misst kontinuierlich die Ethanol-/Volatil-Konzentration im Abgas als direkten Indikator für die biologische Aktivität.
Die Ergebnisse
Exakte Phasenidentifikation: Während des Hefewachstums (Saccharomyces cerevisiae) zeigte die fermSYS VOC-Sensorik präzise den Übergang in die diauxische Phase (Wechsel des Substratmetabolismus).
Erklärung von Abweichungen: Abweichungen im physikalischen Headspace-Volumenmodell konnten direkt durch stärkere biologische -Gasbildung während der Peak-Wachstums- und Diauxie-Phasen erklärt und korreliert werden.
Keine Probenahme nötig: Das Abgas-Monitoring liefert kontinuierliche Signale, ohne das Reaktorinnenleben zu stören oder Sterilitätsrisiken einzugehen.
Fazit für die Praxis
Die Ergänzung intelligenter Gasfluss-Messung mit der fermSYS VOC-Abgassensorik ermöglicht ein tieferes Prozessverständnis und schafft die Basis für vollautomatische, echtzeitgesteuerte Fütterungs- oder Belüftungsstrategien im Labor- und Pilotmaßstab.
Nahtlose Integration mit fermHUB:
Noch einfacher wird die Umsetzung mit unserer Datenplattform fermHUB: Sowohl die VOC-Sensorik als auch der Bronkhorst Massenflussregler lassen sich per Plug & Play über eine einzige Software betreiben. Damit bündeln Sie das gesamte Prozesshandling in einem System – vom zentralen Datensammeln und der direkten Aktor-Ansteuerung über die Wiederverwendung historischer Run-Daten bis hin zum automatisierten Betrieb über den Golden (Fed) Batch Autopiloten.
Einsatzbereiche
Die Kombination aus fermSYS - VOC-Sensorik (Abgas-Metabolit-Tracking) und präziser Gasfluss- & Druckregelung eignet sich besonders für folgende Szenarien:
Automatisierte Fütterungs- oder Belüftungssteuerung (Feedback-Control): Echtzeit-Dosierung von Substraten bei fed-batch-basierten Prozessen (z. B. Vermeidung von Crabtree-Effekten oder Methanol-/Ethanol-Toxizität).
Erkennen metabolischer Phasenwechsel: Berührungslose Identifikation von Substratwechseln (z. B. diauxisches Wachstum) und Effekten im Stoffwechsel ohne zeitverzögerte Offline-Probenahmen.
Schaum- und Gasbildung-Monitoring: Frühzeitiges Erkennen unvorhergesehener Entgasungsschübe oder exzessiver -Freisetzung im Headspace.
Nicht-invasives Bioreaktor-Volume-Tracking: Kontinuierliche Überwachung des Flüssigkeitsvolumens rein über die Gasphase – ganz ohne zusätzliche Sonden im Nährmedium, was Reinigungsaufwand reduziert und Bewuchs- oder Verkrustungseffekte an Messfühlern im Medium ausschließt.
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