Sofort den Zustand Ihrer Bioprozesse kennen: Die Leistungsfähigkeit von Biomasse-Soft-Sensoren

Produktionsprozesse von entscheidender Bedeutung. Die Biomasse, der Katalysator biologischer Reaktionen, hat einen erheblichen Einfluss auf die Produktausbeute und -qualität. Herkömmliche Methoden zur Überwachung der Biomasse, die auf häufigen manuellen Probenahmen und Analysen basieren, sind zeitaufwändig und anfällig für Ungenauigkeiten. Hier kommen Biomasse-Soft-Sensoren ins Spiel. 

Der Name "Soft-Sensor" ist die Abkürzung für "Software-Sensor". Er heißt "Software", weil er durch Computerprogramme implementiert wird, und "Sensor", weil er Informationen wie Hardwaresensoren liefert. Durch die Bereitstellung von Echtzeitschätzungen der Biomassekonzentration revolutionieren diese Sensoren die Prozessüberwachung und -optimierung, was zu höherer Effizienz, besserer Produktqualität und geringeren Betriebskosten führt.

Wie Biomasse-Soft-Sensoren funktionieren: Mechanismus und Implementierung

Biomasse-Soft-Sensoren nutzen vorhandene Messungen von Hard-Sensoren und mechanistische oder hybride Beziehungen, um den Biomassegehalt in Echtzeit vorherzusagen. Diese softwarebasierten Sensoren stützen sich auf kontinuierliche Datenströme von verschiedenen Sensoren, die während des gesamten Bioprozesses eingesetzt werden, einschließlich Messungen von ein- und austretenden Gasen wie O2 und CO2 sowie der Menge des in den Reaktor eintretenden Substrats. Der Soft-Sensor integriert diese Datenpunkte mit Hilfe mathematischer Gleichungen, um genaue Biomasseschätzungen zu liefern, wodurch manuelle Probenahmen überflüssig werden.

• Datenanforderungen: Kontinuierliche Datenströme von harten Sensoren sind unerlässlich.
• Prozesswissen: Verstehen des spezifischen Organismus und seiner Produktbildung.
• Analyse-Infrastruktur: Robuste Infrastruktur wie  PAS-X Savvy  zum automatischen Importieren und Analysieren von Daten.
• Kalibrierung und Validierung: Iterative Kalibrierung und Validierung zur Gewährleistung der Genauigkeit.

Die Vorteile und Anwendungen von Biomasse-Soft-Sensoren

Die Anwendung von Biomasse-Soft-Sensoren erstreckt sich auf ein breites Spektrum von Fermentationsprozessen, einschließlich mikrobieller Produktionssysteme wie Bakterien, Hefen und filamentöse Pilze sowie Säugetierzellkulturen wie CHO-Zellen. Diese Sensoren können die Produktion verschiedener primärer und sekundärer Metaboliten, einschließlich rekombinanter Proteine, Antikörper und Enzyme, überwachen und optimieren.

Die wichtigsten Vorteile:

• Verbesserte Prozessüberwachung und -steuerung: Die Überwachung des Zellwachstums in Echtzeit ermöglicht optimierte Erntezeiten und eine höhere Produktivität.
• Verbesserte Prozessoptimierung: Einblicke in die Biomasse-Konzentrationen helfen bei der Verfeinerung der Prozessparameter.
• Qualitätskontrolle: Große Datenabweichungen können auf potenzielle Ungenauigkeiten hinweisen und gewährleisten eine bessere Einhaltung der GMP-Standards.
• Kostenreduzierung: Die Minimierung manueller Messverfahren senkt die Betriebskosten.
• Geringeres Kontaminationsrisiko: Die kontinuierliche Überwachung ohne physische Probenahme senkt das Kontaminationsrisiko.

PAS-X Savvy: Einsatz und Ergebnisse

Nach der Kalibrierung kann der Biomasse-Soft-Sensor innerhalb von Sekunden eingesetzt werden. Der Benutzer kann die wichtigsten Parameter durch einen unkomplizierten Konfigurationsprozess anpassen und so die Berechnung flexibel auf verschiedene Fermentationsprozesse anwenden. Neben der Messung der Biomassekonzentration liefert der Soft-Sensor auch Echtzeit-Leistungskennzahlen wie die spezifische Wachstumsrate (µ), die Substrataufnahmerate (qS), die Sauerstoffaufnahmerate (OUR) und die Kohlenstoffentwicklungsrate (CER). Diese Ergebnisse können dann direkt visualisiert werden, um Einblicke in den Zustand des Bioprozesses zu erhalten, was eine Prozesssteuerung in Echtzeit und eine Analyse nach der Produktion ermöglicht (siehe Abbildung 2 und 3).

Zusammenfassung

Soft-Sensoren für Biomasse sind praktische und effiziente Werkzeuge, die vorhandene Datenströme nutzen, um wertvolle Erkenntnisse zu gewinnen und die Prozesssteuerung und -effizienz ohne zusätzliche Investitionskosten zu verbessern. Ihre Fähigkeit, Biomasseschätzungen in Echtzeit zu liefern, erleichtert rechtzeitige Eingriffe und fundierte Entscheidungen, wodurch letztlich die Erträge und die Gesamteffizienz des Prozesses verbessert werden.