Die Entwicklung und Testung von neuen Enzymen und Produktionsorganismen für industrielle biotechnologische Produktionsverfahren erfolgt heutzutage mithilfe automatisierter Prozesse. Dadurch können hohe Durchsatzmengen erzielt werden (Hochdurchsatzverfahren) [Wiechert, W. et al. (2018), S. 6].

Quelle(n):

• Wiechert, W.; Scheper, T. und Weuster-Botz, D. (2018): Neue Schubkraft für die Biotechnologie – Miniaturisierung, Automatisierung und Digitalisierung revolutionieren die Entwicklung biotechnologischer Prozesse und Produkte. DECHEMA Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie e.V., Frankfurt am Main [abgerufen am: 12.12.2019], verfügbar unter: Link

Biokatalysatoren erhöhen die Effektivität und mindern den Energiebedarf einer biochemischen Umsetzung im Reaktor. Um den Mengenverbrauch und die Abfallentstehung an Biokatalysatoren auf ein Minimum zu beschränken, sind bestimmte Aspekte bei dem Einsatz von Biokatalysatoren in einem Reaktionssystem zu berücksichtigen. Verwendete Biokatalysatoren sollten folgende Eigenschaften aufweisen:

• Hohe Katalysatoraktivität
• Hohe Langzeitstabilität
• Geringe Deaktivierungsrate
• Hohe Produkt-Selektivität

In der Regel weisen Enzyme (Biokatalysatoren) gegenüber konventionellen Katalysatoren einige entscheidende Vorteile auf [Schiller, J. et al. (2016), S. 42 f.]:

• Hohe Reaktionsselektivität
• Höhere Reaktionsgeschwindigkeit
• Größere Reaktionseffizienz
• Bessere Produktreinheit
• Einen geringeren Energieverbrauch (die Reaktionen finden in der Regel bei Normaltemperatur und -druck statt)
• Geringere Abfallproduktion
• Hohe Aktivität in umweltfreundlichen Lösungsmitteln wie Wasser, Ethanol oder überkritischem CO₂

Insbesondere bei der Produktion von chiralen Molekülen erweist sich der Einsatz von Enzymen als Katalysatoren als besonders günstig, denn in vielen Fällen besitzen Enzyme die Eigenschaft der Chiral-Spezifität, d. h., von zwei möglichen chiralen Molekülformen wird nur eine begünstigt. Dies führt in der Regel zu einer Verringerung des Trennungsaufwands [Schiller, J. et al. (2016), S. 42 f.].

Quelle(n):

• Schiller, J.; Aicher, C.; Feresin, E.; Klauer, B. und Hansjürgens, Bernd und Sauter, Arnold (2016): Weiße Biotechnologie - Stand und Perspektiven der industriellen Biotechnologie: Umwelt- und Nachhaltigkeitspotenziale. Innovationsanalyse Teil II. Büro für Technikfolgen-Abschätzung beim Deutschen Bundestag (TAB), Berlin, TAB-Arbeitsbericht 169.

Folgende Vorteile immobilisierter Enzyme sind bekannt [Braun, M. et al. (2006), S. 21 f.], [Castiglione, K. und Weuster-Botz, D. (2018)]:

• Höhere Lebensdauer
• Mehrfacher Einsatz der verwendeten Biokatalysatoren, dadurch Kostenreduktion
• Ermöglichung einer kontinuierlichen Reaktionsführung (Verweilzeitentkopplung)
• Vereinfachte Produktaufreinigung
• Erzielung besserer Produktqualitäten

Nachteilig wirkt sich bei einer Immobilisierung von Enzymen die Verringerung der Reaktionsgeschwindigkeit aus. Dies kann z. B. durch Aktivitätsverluste aufgrund der Enzymfixierung auf dem Feststoff oder durch eine Verringerung der Diffusionsgeschwindigkeit von Reaktanten und Produkten hervorgerufen werden. Der Nachteil einer herabgesetzten Reaktionsgeschwindigkeit kann durch eine mögliche längere Lebensdauer fixierter Enzyme wieder kompensiert werden [Braun, M. et al. (2006), S. 22]. Allerdings fallen durch den Immobilisierungsprozess auch zusätzliche Kosten an, z. B. für Material- und Arbeitsaufwand. Darüber hinaus können immobilisierte Enzyme nur bei gelöst vorliegenden Substraten eingesetzt werden [Castiglione, K. und Weuster-Botz, D. (2018), S. 406].

Die Entscheidung, ob die Verwendung eines immobilisierten oder gelösten Enzyms günstiger ist, muss im Einzelfall getroffen werden. Dazu müssen die im jeweiligen prozessspezifischen Anwendungsfall auftretenden Vor- und Nachteile gegeneinander abgewogen werden.

Quelle(n):

• Braun, M.; Teichert, O. und Zweck, A. (2006): Biokatalyse in der Industriellen Produktion - Fakten und Potenziale zur weißen Biotechnologie. Zukünftige Technologien Consulting der VDI Technologiezentrum GmbH, Düsseldorf [abgerufen am: 19.11.2019], verfügbar unter: Link
• Castiglione, K. und Weuster-Botz, D. (2018): Enzymatische Prozesse. In: Chmiel, H. und Takors, R. und Weuster-Botz, D., Hg. Bioprozesstechnik. 4. Auflage. Springer Berlin Heidelberg, Berlin, S. 403-447, ISBN 978-3-662-54041-1.

Um einen ressourceneffizienten und wirtschaftlichen biotechnologischen Produktionsprozess umzusetzen, sind die Identifizierung und Bereitstellung geeigneter Enzyme und Mikroorganismen eine wichtige Voraussetzung. Mit Hilfe von Screening- und Analysemethoden können geeignete Enzyme und Mikroorganismen identifiziert werden [Fraunhofer IGB, IME, IAP, ICT, IPA, UMSICHT, IVV, WKI (kein Datum), S. 8 f.].

An einen Prozess angepasste Biokatalysatoren (Enzyme) und Mikroorganismen ermöglichen neben einer kostengünstigeren Produktionsweise einen geringeren Zeitbedarf bei der Entwicklung und Etablierung neuer industrieller biotechnischer Verfahren bzw. Produkte [Schüler, J. (2016), S. 258].

Quelle(n):

• Fraunhofer IGB, IME, IAP, ICT, IPA, UMSICHT, IVV, WKI (kein Datum): Vom Rohstoff zum Produkt – Industrielle Biotechnologie in der Fraunhofer-Gesellschaft. Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. [abgerufen am: 19.11.2019], verfügbar unter: Link
• Schüler, J. (2016): Die Biotechnologie-Industrie, Springer Berlin Heidelberg, ISBN 978-3-662-47159-3.

• Entwicklung von (bio-)metallurgischen Methoden für die nachhaltige Rückgewinnung von Edelmetallen
• Verwendung von Schwermetall-toleranten Bakterien als Produzenten von hochaktiven Nanokatalysatoren in Form von Edelmetall-Nanopartikeln 
  
• Simultaner Ablauf des mikrobiellen Wachstums, der Metallreduktion und der Nanopartikel-Bildung durch biotechnologischen Prozess
  

• Entwicklung eines biotechnologischen Verfahrens mit neuen Reaktionsrouten und Katalysatoren zur nachhaltigen Produktion von Aminen
• Verbesserung der Energiebilanz des konventionell bei hohem Druck und hohen Temperaturen ablaufenden Prozesses durch den Einsatz von Enzymen
• Herstellung der Amine nach dem Konzept der zellfreien Biosynthese: Einsatz aufgereinigter, spezifischer Enzyme, die zu rein enzymatischen Reaktionskaskaden zusammengesetzt werden

• Entdeckung von ruhenden Hefezellen als Biokatalysator zur Synthese von Grünnoten (aldehyd-basierten Aromastoffen im Lebensmittelbereich)
• Biokatalytisches Verfahren als effiziente Alternative zum konventionellen Verfahren
• Untersuchung verschiedener Verfahren zur Gewinnung der Aldehyde aus dem Produktgemisch (Produkt, Edukt, Biokatalysator)
• Aussichtsreichstes Verfahren zur Produktgewinnung: Ausstrippen der flüchtigen Aldehyde und die Adsorption an hydrophobe Harze mit anschließender ethanolischer Extraktion

• Erzeugen von Mehrwertchemikalien (z. B. fortschrittliche Biokraftstoffe) durch Aufschlüsseln von Biomasseabfall
• Umwandlung der Zellulose aus den Zellwänden in fermentierbare Zucker
• Senken der Verfahrenskosten und der Menge an Ausgangsmaterialien durch Verzuckerung der Biomasse
• Gewinnung von fermentierbaren Zuckern aus dem organischen Anteil von Siedlungsabfällen durch die Entwicklung von Designer-Zellulosomen aus natürlichen Zellulosomen und lignozellulosehaltigen Enzymen
• Untersuchen der physiochemischen, atomischen und supramolekularen Struktur des Zellulosoms
• Charakterisierung der zellulosomalen und nichtzellulosomalen Komponenten in einem standardisierten Enzym-Assay

• Biomasse in Zucker durch „Frontend“ umwandeln und anschließend zur Herstellung nützlicher Produkte weiterverwenden
• Schnelle Abstimmung eines Bakteriums oder Pilzes, um eine optimale Biomasse-Umwandlung zu ermöglichen
• Technologie überall in Bioraffinerien verbindbar

• Entwicklung neuartiger Biokatalysatorsysteme zur nachhaltigen Synthese von Spezialchemikalien auf Basis nachwachsender Rohstoffe
• Einsatz adsorbierter Enzyme auf Trägermaterialien
• Adsorbierte Enzyme zeigen hohe Stabilitäten gegenüber mechanischen Kräften sowie gegenüber Proteindesorption im Herstellungsprozess: Möglichkeit einer hohen Wiederverwendbarkeit gegeben

• Entwicklung einer Toolbox zur Herstellung effizienter, multifunktionaler Biokatalysatoren
• Einsatz der multifunktionalen Biokatalysatoren zur Herstellung von Produkten aus nachwachsenden Rohstoffen
• Zur Herstellung der multifunktionalen Biokatalysatoren werden Multi-Enzymsysteme im nano-skaligen Bereich auf festen und porösen Materialien mit Hilfe von Protein-„Arbeitsplattformen“ aufgebaut
• Die auf festen Materialien adsorbierten Enzyme sind hierarchisch und räumlich organisiert

• P450-Enzyme gelten in der organischen Chemie als „potenziell die nützlichste aller Biotransformationen“
• Anwendung wird in der Industrie durch technische Engpässe erschwert
• Aufbau einer Plattform für die Identifizierung und Optimierung neuer rekombinanter P450-Expressionssysteme
• Schwerpunkt liegt auf Integration von mikroskaligen Hochdurchsatz-Prozessentwicklungsmethoden mit der Biokatalyse-Entwicklung

• Entwicklung effizienter, rekombinanter Expressionsverfahren zur Produktion technischer Enzyme sowie Herstellung und Aufreinigung bis zu einem Maßstab von 10 m³
• Entwicklung geeigneter Produktionsstämme und Optimierung der Bioprozesstechnik
• Evaluierung pro- und eukaryotischer Expressionsstämme sowie Entwicklung von Vektoren für die Produktion industriell relevanter Hydrolasen und Oxidoreduktasen
• Verfahrensentwicklung und -optimierung bis in den Pilotmaßstab für ausbeutereichste Varianten aus dem Labormaßstab

• Nutzung von Cyanobakterien als Biokatalysatoren für lichtgetriebene biotechnologische Anwendungen im Rahmen von industriell relevanten Modellreaktionen
• Ersetzen teurer Reduktionsäquivalente zum Einschleusung der Enzyme in Cyanobakterien und somit Kopplung an die Photosynthese der Bakterien
• Erreichen des Wegfalls teurer Abfall- und Nebenprodukte sowie einer schnelleren, leichteren und kostengünstigeren Herstellung von Chemikalien
• Übertragen der Erkenntnisse aus dem Labor auf Prozesse im industriellen Maßstab
• Erhöhung der Effizienz, mit der Lichtenergie geerntet und an enzymatische Reaktionen weitergegeben werden kann

• Erstellung einer MetaCat-Enzym-Sammlung: innovative Werkzeugsammlung und Erkenntnisse für die Identifizierung von robusten „Allround-frequent-hit“-Enzymen (AFHs)
• Innovationspool für den Nachweis von Enzymen: innovative zellfreie und einzellige Werkzeuge für den funktionalen Metagenom- und Genomabbau
• Enzymanwendungen senken den Einsatz von hochtoxischen konventionellen Katalysatoren deutlich und reduzieren die Umweltbelastung
• Biokatalytische Prozesse senken Energieverbrauch und ‑kosten, da sie bei milderen Prozessbedingungen durchgeführt werden können

• Erzeugung funktionaler Biomasse aus kohlenstoffreichen Abfallströmen für eine nachhaltige, biologische Synthese von Wertstoffen
• Bei der Herstellung von Biodiesel fallen große Mengen von Rohglycerin als Nebenstrom an
• Entwicklung optimierter Produktionsstämme, welche Rohglycerin effizient nutzen können
• Neue und wertvolle aus Glycerin generierte Produkte können die Wirtschaftlichkeit der Biodieselproduktion deutlich verbessern
• Entwicklung von neuen Verfahren zur vollständigen Verwertung der für die Biodieselproduktion eingesetzten Fette/Öle in einem Bioraffineriekonzept

Mit Hilfe mathematischer Modelle kann ein Bioprozess beschrieben werden. Bei der Verfahrensentwicklung und Verfahrensoptimierung können validierte mathematische Modelle dabei unterstützen, die Material- und Energieeffizienzpotenziale eines Bioprozesses auszuschöpfen. Modelle unterstützen bei der Auswahl der am besten geeigneten Technikkombinationen unter verschiedenen möglichen Kombinationen im Rahmen der Verfahrensentwicklung. Und sie können den Verfahrensentwicklungsweg von der Labor-, Technikums- und Produktionsanlage im Industriemaßstab beschleunigen, mit dem Ergebnis, dass weniger Material- und Energieaufwände anfallen. Umsatzsteigerungen können im Rahmen von Verfahrensoptimierungen durch die Anwendung mathematischer Modellbeschreibungen herangezogen werden [Fraunhofer IGB, IME, IAP, ICT, IPA, UMSICHT, IVV, WKI (kein Datum), S. 11].

Bei herkömmlichen chemischen Prozessen ist die Verfahrensbeschreibung anhand von (modularen) Modellen in der Praxis angekommen. Die Systembeschreibung von Bioprozessen ist allerdings noch nicht so weit verbreitet. Dies liegt an der hohen Komplexität der Bioprozesse. Eine mathematische Abbildung biotechnologischer Prozesse ist daher um einiges komplizierter, verglichen mit herkömmlichen chemischen Verfahren. Hier besteht noch Forschungs- und Entwicklungsbedarf, der sich aufgrund der Nützlichkeit mathematischer Prozessbeschreibungsmodelle sicherlich lohnt [Fraunhofer IGB, IME, IAP, ICT, IPA, UMSICHT, IVV, WKI (kein Datum), S. 11].

Quelle(n):

• Fraunhofer IGB, IME, IAP, ICT, IPA, UMSICHT, IVV, WKI (kein Datum): Vom Rohstoff zum Produkt – Industrielle Biotechnologie in der Fraunhofer-Gesellschaft. Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. [abgerufen am: 19.11.2019], verfügbar unter: Link

• Beschleunigung der Bioprozessentwicklung inclusive Anlagenentwicklung und -bau um bis zu 20 %
• Entwicklung und Demonstration eines rechnerischen Rahmens (Modell und Simulation) für das rationale Design robuster mikrobieller Stämme und schnell skalierbarer Bioprozesse
• Reduzierung der bisher benötigten Energiemenge und damit einhergehenden CO₂-Emissionen um 10 – 30 %

• Entwicklung eines automatischen Modellgenerators
• Umsetzung von Ideen zur automatischen Struktursuche und dynamischen Anpassung von Modellen
• Erzeugung einer Vielzahl von unterschiedlichen Modellkandidaten erleichtert die Prozessmodellierung und führt zu einer ressourcensparenden Prozessführung

• Modellgestützte Optimierung der Kultivierung von phototrophen Einzellern und pflanzlichen Gewebekulturen unter Berücksichtigung von Reaktorgeometrie und Prozessführung
• Entwicklung eines mathematischen Modells
• Berechnung von Wachstumsverhalten von phototrophen Mikroorganismen in Abhängigkeit des Lichteintrags und der Strömungsführung mittels des mathematischen Modells effektiv möglich
• Verbesserung realer Kultivierungssysteme durch Simulation und Parametervariation basierend auf dem mathematischen Modell

• Entwicklung von Scale-down-Verfahren (Modelle) von Bioreaktoren
• Kombination von leistungsstarker CFD (Computational Fluid Dynamics) und innovativer Prozessanalytik
• Erreichung von Verbesserungen in der Bioprozessentwicklung durch erhöhten Informationsgewinn auf Laborebene (verbesserte Entscheidungsbasis)
• Geringere Enzwicklungszeiten und höhere Prozesssicherheiten

Bei komplexen Prozessen ist es nicht trivial, den Prozessverlauf möglichst nah an das energetische Optimum hinzuführen. In solchen Fällen sorgen Advanced Process Control (APC) Methoden für einen optimierten Betrieb der eingesetzten Regler. Die in den APC-Methoden angewendeten Prozesskenntnisse werden aus Prozessmodellen und Erfahrungswissen (z. B. Störgrößenaufschaltung) gewonnen. Der Aufwand einer Implementierung und Anwendung der APC-Methoden war bisher recht hoch, dem Einsatz entsprechend erst bei sehr hohen Komplexitätsgraden (z. B. großen Kontianlagen) sinnvoll. Mittlerweile sind jedoch auch Standard-Softwaremodule für Prozessleitsysteme verfügbar, die den Einsatz bei kleineren Anwendungen (kleine Konti- oder Batchanlagen) interessant machen. Die Komplexitätsgrenzen, bei denen sich ein Einsatz lohnt, wurden deutlich herabgesenkt.
Folgende gängige Methoden stehen zur Auswahl und sind für Konti- und Batchanlagen geeignet:

• Statistikbasierte APC-Methode (datengetriebene Methoden): Bei dieser Methode basiert die Ermittlung einer optimierten Stellgröße auf der statistischen Auswertung des zeitlichen Verlaufs von Prozessgrößen und dem daraus gewonnenen statistischen Prozessmodell. Vor der Übergabe der ermittelten Stellgröße an den Regler wird diese mit den Erfahrungswerten des Anlagenbedieners abgeglichen und gegebenenfalls angepasst.
• Modellgestützte prädikative Regelung (MPC): Bei dieser Methode wird durch die Entwicklung und Anwendung eines dynamischen Modells für das betrachtete Verfahren das zukünftige Prozessverhalten (Verlauf von Prozessgrößen) vorhergesagt. Dies erlaubt ein gezieltes Optimieren der Stelleingriffe an der Basisregelung. Ziel dabei ist es, den optimalen Betriebspunkt zu erreichen.
• Online-Optimierung: Diese Methode basiert auf der Anwendung stationärer, rigoroser Modelle. In Abhängigkeit der vorliegenden Prozesszustandsgrößen berechnet ein Online-Optimierer den optimalen Arbeitspunkt für eine energetisch und stofflich effiziente Betriebsweise. Als Ergebnis der Online-Optimierung werden Sollwerte für die untergeordnete Basisregelung ermittelt. Optimierungskriterium kann beispielsweise eine Kostenfunktion aus Rohstoff- oder Energiekosten sein.

Praxisbeispiel(e) finden Sie unter www.namur.net/uploads/tx_press/atp_02_2008_Prozessfuehrung.pdf (S. 71 – 75).

Quelle(n):

• Hagenmeyer, V. und Piechottka, U. (2009): Innovative Prozessführung – Erfahrung und Perspektiven. atp edition, Heft 1-2 S. 53, 57 ff.
• NAMUR, Arbeitskreis 4.17 „Energieeffizienz“ (2012): Vorgehensweise zur Steigerung der Energieeffizienz in chemischen Anlagen – Beitrag der Automatisierungstechnik. Arbeitsblatt NA 140., NAMUR S. 8

Die Ermittlung der Ionenkonzentration in wässrigen Lösungen erfolgt durch Messung der Leitfähigkeit. Die Kenntnis der Ionenkonzentration dient z. B. zur Qualitätsbestimmung von Abwässern, zur Gehaltsbestimmung von Säuren, Laugen und Galvanik-Bädern oder zur Überwachung von Ionentauscheranlagen. Leitfähigkeitsmessgeräte bestehen aus einem Messfühler und einer Auswerte- und Anzeigeeinheit. Für die Messung niedriger und hoher Ionenkonzentrationen besteht der Messfühler aus zwei konzentrisch angeordneten Elektroden. Der Messfühler wird direkt in die wässrige Lösung eingetaucht und dabei an einer Rohrleitung oder einem Behälter befestigt (angeflanscht). Das Messgerät ist empfindlich durch Partikel verursachte Verschmutzungen und muss in regelmäßigen Abständen kalibriert werden.

Quelle(n):

• Ignatowitz, E. (2013): Chemietechnik. 11. Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten. S. 283

Ex-situ-Sensoren kommen immer dann zum Einsatz, wenn entweder die Reaktionsbedingungen im Bioreaktor für einen In-situ-Sensor zu widrig sind (z. B. Fouling) oder aber wenn für den zu bestimmenden Messparameter keine In-situ-Sensoren existieren. Bei Ex-situ-Sensoren erfolgt die Messung außerhalb des Reaktors. Dabei kann die Messwertaufnahme kontinuierlich oder diskontinuierlich in bestimmten Zeitintervallen stattfinden. In beiden Fällen werden die Messdaten mit einer zeitlichen Verzögerung, bedingt durch den Probenahmeprozess, aufgenommen. Bei einem dynamischen Bioprozess (z. B. Kultivierungs- oder Aufarbeitungsprozess) führen eine zeitliche Verzögerung der Messwertaufnahme und/oder größere Analyseintervalle zu Informationsverlusten. Existieren Modellbeschreibungen der betreffenden Prozesse, so können die Informationsverluste kompensiert werden. Handelt es sich um nicht so dynamische Prozesse, spielen die zeitlichen Verzögerungen bei Ex-situ-Sensoren keine große Rolle. Prinzipiell sollten Sensoren zum Einsatz kommen, die über ein kurzes und konstantes Ansprechverhalten verfügen [Hitzmann, B. und Scheper, T. (2018), S. 265].

Quelle(n):

• Hitzmann, B. und Scheper, T. (2018): Bioprozessanalytik und -steuerung. In: Chmiel, H. und Takors, R. und Weuster-Botz, D., Hg. Bioprozesstechnik. 4. Auflage. Springer Berlin Heidelberg, Berlin, S. 263-297, ISBN 978-3-662-54041-1.

In-situ-Sensoren sind im Reaktor fest eingebaut und liefern in bestimmten Zeitabständen kontinuierlich Messdaten. Die Vorgänge im Reaktor und das Reaktorverhalten insgesamt können somit abgebildet werden. Allerdings gibt es bei biotechnologischen Einsätzen von In-situ-Sensoren eine Besonderheit: In den meisten Fällen findet die Reaktion in einer sterilen Umgebung statt. Der In-situ-Sensor kann nur vor dem Einbau in das „sterile“ Reaktorsystem kalibriert werden. Um die sterilen Bedingungen im Reaktor nicht zu gefährden, ist eine Kalibrierung während des Bioprozesses nicht möglich. Treten allerdings während des Einsatzes eine Sensoralterung oder Fouling-Prozesse im Reaktor auf, dann ändert sich das Ansprechverhalten des Sensors und eine Kalibrierung wäre notwendig, um korrekte Messwerte die Qualität und Quantität betreffend zu liefern. Idealerweise kompensieren die In-situ-Sensoren ein sich änderndes Ansprechverhalten selbstständig. Die Anforderungen an einen In-situ-Sensor sind dementsprechend hoch [Hitzmann, B. und Scheper, T. (2018), S. 265].

Quelle(n):

• Hitzmann, B. und Scheper, T. (2018): Bioprozessanalytik und -steuerung. In: Chmiel, H. und Takors, R. und Weuster-Botz, D., Hg. Bioprozesstechnik. 4. Auflage. Springer Berlin Heidelberg, Berlin, S. 263-297, ISBN 978-3-662-54041-1.

Bei der Anwendung von Inline-Konzentrationsmessverfahren ist eine aufwendige Probenaufbereitung nicht mehr notwendig. Die Verwendung von Laborchemikalien und ‑geräten sowie die Inanspruchnahme zusätzlicher Räumlichkeiten entfallen dementsprechend. In der Regel beeinflussen Inline-Messverfahren das Messmedium in geringerem Maße, verglichen mit Offline-Verfahren. Dies führt zu genaueren Messungen sowie kürzeren Messtotzeiten und damit zu einer besseren Ausregelung, sprich effektiveren Nutzung der Anlage. Zudem erlauben die deutlich verkürzten Messzeiten ein schnelleres Erkennen und Vermeiden von unzulässigen Anlagenzuständen.

Gängige Inline-Messverfahren:

• ATR-Spektroskopie (MIR-Bereich): ATR-Spektroskopie ist vor allem für Gase geeignet, jedoch auch für Flüssigkeiten. Als Lichtwellenleiter kommen die Materialien Halegonid und Chalkogenid in Frage (Quarz nicht). Vorteil ist in dem Fall, dass die Verwendung optischer Multiplexer und damit eine simultane Messung an verschiedenen Stellen möglich ist. Die Materialien weisen jedoch schlechte mechanische Eigenschaften auf. Alternativ wird ein Hohlleiter-Spiegelsystem verwendet, das die Strahlung auf den ATR-Kristall lenkt. Die Sonden sind Kombinationen auf einem IR-durchlässigen Kristall, gepaart mit der eigentlichen ATR-Schicht aus – je nach Wellenlänge – Diamant, Silizium, Zirkonium. Solche Systeme sind bis 100 bar und 250 °C einsetzbar.
• Laser-Spektroskopie: Bei der Laser-Spektroskopie wird der Laserstrahl direkt durch die zwei Fenster in der Rohrleitung vom Sender zum Empfänger geschickt. Es können lediglich Gase, diese aber unabhängig von der Temperatur des Mediums, vermessen werden. Mit Diodenlaser-Spektrometern können nur kleinere Moleküle erfasst werden. Einer der wichtigsten Anwendungsfälle ist hier die Sauerstoffbestimmung mittels AlGaAs-Lasern. Mit InGaAs-Lasern lassen sich eine Reihe weiterer kleiner Moleküle bestimmen (CO, HCl, HCN, NO etc.). Der Trend bei dieser Technologie geht zu Quantenkaskadenlasern. Mit dieser Technik konnte die Messempfindlichkeit erheblich gesteigert und das Spektrum an messbaren Substanzen signifikant erhöht werden. Die „Fenster-Technologie“ wurde in den letzten Jahren deutlich verbessert, so dass sich die Messfehler deutlich verringert haben. Mittels spezieller Fensterflansche ist es heute möglich, Messstörungen zu vermeiden, Verschmutzungen vorzubeugen und eine Reinigung mit Dampf zu ermöglichen.
• NIR-Spektroskopie: Das Anwendungsspektrum der NIR-Spektroskopie konnte sich in den letzten Jahrzehnten insbesondere durch komplexe chemometrische Auswertealgorithmen von einem Online-Verfahren zu einer Inline-Methode entwickeln. Der Aufbau umfasst eine optische Sonde, Lichtwellenleiter und das Spektrometer selbst. Die rechnergestützte Auswertung macht es nach Ermittlung geeigneter Kalibrierungen möglich, komplexe flüssige Stoffgemische in ihrer Konzentration, aber auch in Bezug auf Temperatur, Dichte, Viskosität oder Säurezahl zu überwachen. Entsprechend breit gefächert ist der Anwendungsbereich: Produkteingangskontrolle, Verfahrensüberwachung, Qualitätssicherung, aber auch Reaktionsaufklärung sind möglich. Die simultane Überwachung mehrerer Messstellen mit einem Spektrometer ist ebenso umsetzbar.
• Raman-Spektroskopie: Die Raman-Spektroskopie kann dann eine Alternative darstellen, wenn Moleküle bzw. ihre Schwingungen im IR-Spektrum schlecht nachweisbar sind, wobei die Raman-Spektroskopie ein dichtes Medium (Flüssigkeit, Feststoff) voraussetzt. Gut nachweisen lassen sich symmetrische Moleküle und Ionen. Ein Vorteil liegt auch darin, dass Wasser die Messung nicht stört, was es für den Einsatz in der Emulsionspolymerisation interessant macht. Die Messung erfolgt durch ein Fenster in der Außenwand und nicht im Medium selbst. Die Signalübertragung kann mittels Lichtwellenleiter stattfinden, wobei Störungen durch Fluoreszenz möglich sind.
• Terahertzspektroskopie: PE, PP, Teflon, aber auch Karton und div. Textilien sind im Gegensatz zu Metallen für Terahertzstrahlung vollständig transparent und weisen eine hohe Eindringtiefe und gute räumliche Auflösung auf. Dies macht die Technik interessant für nichtinvasive Inline-Messverfahren sowie dreidimensionale Tomographie. Ihre Verwendung ist außerdem unabhängig vom Aggregatzustand des Mediums. THz-Strahlung regt vor allem schwache Bindungstypen (Wasserstoffbrücken, VdW-Bindungen) an und eignet sich für große und komplexe Moleküle, wie z. B. biologische Makromoleküle. Da Wasser die Strahlung absorbiert, ist auch eine Bestimmung der Restfeuchte möglich.
• Transmissions-Spektroskopie (UV/Vis-Bereich): Die UV/Vis-Spektroskopie eignet sich sowohl in Flüssigkeiten als auch in Gasen zur Konzentrationsbestimmung (z. B. Aromaten, Nitroverbindungen, Chlor, Ozon, Nitrit etc.), zur Farbzahlbestimmung und zur Trübungsmessung. Es werden entweder Lichtwellenleiter verwendet oder Quarz-, Borosilikat- oder Saphirfenster direkt in die Rohrleitung eingesetzt. Unter 250 nm können Lichtwellenleiter auf Grund des Solarisationseffekts nur eingeschränkt verwendet werden. Aus Gründen der Robustheit und der Messgeschwindigkeit kommen hauptsächlich Diodenarray-Spektrometer zum Einsatz. Für Trübungsmessungen werden Photometer mit zwei Detektoren in unterschiedlichen Winkeln verwendet.
• Ultraschall-Messtechnik: Gemessen wird die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls im Medium. Diese ist abhängig von diversen Stoffparametern – Druck, Temperatur, Viskosität, Dichte, Zusammensetzung, Kompressibilität, Strömungsgeschwindigkeit – und kann somit für die Bestimmung eben dieser eingesetzt werden. Für Konzentrationsmessungen ist der Einsatz jedoch auf binäre bzw. quasibinäre Systeme beschränkt. Es gibt Messköpfe für invasive, wie nichtinvasive Messungen in flüssigen Medien. Für eine korrekte Auswertung ist ein Kennlinienfeld zu vermessen und mit den Messwerten zu verrechnen. Insbesondere der Temperatureinfluss muss hier korrigiert werden.

Quelle(n):

• Kasten, W. (2008): Neue Entwicklungen auf dem Gebiet der Inline-Prozessanalysetechnik. atp edition, Heft 9 S. 58 ff.

Auch die kombinierte Auswertung der Sensordaten mithilfe mathematischer Modelle und Algorithmen ermöglicht neue Erkenntnisse. So können kritische Kenntnislücken geschlossen und durch modellbasierte Vorhersagen Prozesse auf Parameter hin optimiert werden, die nicht direkt für Messungen zugänglich sind [DECHEMA (2020)].

Quelle(n):

• DECHEMA (2020): Prozessanalytik – Rasante Entwicklung eines Wegbereiters [online]. DECHEMA – Gesellschaft für chemische Technik und Biotechnologie e.V., 06.02.2020 [abgerufen am: 11.02.2020], verfügbar unter: Link

Online-Sensorsysteme stellen für biotechnologische Produktionsprozesse ein zentrales Element der Bioprozesskontrolle dar. Sie tragen entscheidend dazu bei, dass ein Bioprozess ressourceneffizient und mit minimaler Fehlchargen-Anzahl das Produktionsziel erreicht. Für eine optimale Bioprozesskontrolle sind biochemische Leitgrößen notwendig, die allerdings für eine direkte Messung nicht zugänglich sind. Alternativ werden durch indirekte Messmethoden Datenmengen anderer Prozessgrößen ermittelt, aus denen sich anhand intelligenter Auswertungsalgorithmen relevante Informationen über den Prozesszustand gewinnen lassen [Wiechert, W. et al. (2018), S. 8].

Neben der Bestimmung der klassischen Prozessparameter wie Temperatur, Druck und pH-Wert kommen für die Detektion von Stoffeigenschaften in erster Linie spektroskopische Methoden wie UV/VIS, IR oder NMR in der Prozessanalytik in biotechnologischen Verfahren zum Einsatz.

Tendenzen hin zu immer kompakteren Messsystemen (Miniaturisierung) sowie der große Fortschritt in der Lasertechnologie und im Detektordesign haben den Einsatzbereich dieser Analysemethoden stark erweitert. Die oftmals komplizierte Integration der Sensorik wird durch die Kombination mit „intelligenter“ Software (intelligenten Sensoren) möglich. Sie stellt die automatische Nachkalibrierung und damit deutlich längere Laufzeiten bereit [DECHEMA (2020)]. Darüber hinaus sind intelligente Sensorsysteme in der Lage, eine Selbstüberwachung und -diagnose, eine integrierte Datenauswertung mit Logik- und Regelungsfunktionalität oder eine interaktive Vernetzung mit anderen Komponenten im Prozessumfeld durchzuführen [Wiechert, W. et al. (2018), S. 8].

Quelle(n):

• Wiechert, W.; Scheper, T. und Weuster-Botz, D. (2018): Neue Schubkraft für die Biotechnologie – Miniaturisierung, Automatisierung und Digitalisierung revolutionieren die Entwicklung biotechnologischer Prozesse und Produkte. DECHEMA Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie e.V., Frankfurt am Main [abgerufen am: 12.12.2019], verfügbar unter: Link
• DECHEMA (2020): Prozessanalytik – Rasante Entwicklung eines Wegbereiters [online]. DECHEMA – Gesellschaft für chemische Technik und Biotechnologie e.V., 06.02.2020 [abgerufen am: 11.02.2020], verfügbar unter: Link

Die effiziente Nutzung der verwendeten Ressourcen (Stoffströme und Energie) in einem Prozess wird unter anderem durch die eingesetzte Basisregelung bestimmt. Eine bestehende Basisregelung sollte regelmäßig vom Anlagenbediener hinsichtlich der Erfüllung der Regelaufgabe (z. B. „geringes Schwingen" der Regelgröße, keine Störung der Folgeprozessschritte) bewertet werden. Insbesondere sollte geprüft werden, ob die gewählten Regel- und Stellgrößen sowie der Sollwert dazu geeignet sind, die Zielstellung der Regelaufgabe zu erfüllen. Eine Nichterfüllung der Regelaufgabe kann durch folgende Maßnahmen korrigiert werden:

• Änderung der gewählten Regel-, Stellgrößen und/oder Sollwerte
• Änderung der eingesetzten Regelstruktur hin zu einer komplexeren Struktur (z. B. Kaskadenregelung)

Voraussetzung für das Erkennen einer ungünstigen Regelstruktur während des Anlagenbetriebs durch ein fachgerechtes Reglermonitoring ist eine gewisse Beurteilungskompetenz der Anlagenfahrer. Diese kann durch regelmäßige Schulungen gefördert und auf den aktuellsten Stand gebracht werden. Um schon zu Beginn der Betriebsphase ungünstige Regelstrukturen zu verhindern, sollten bereits während der Anlagenplanungsphase Prozessführungsingenieure oder Ingenieure mit Prozessführungserfahrung beteiligt werden.

Praxisbeispiel(e) finden Sie unter www.namur.net/uploads/tx_press/atp_02_2008_Prozessfuehrung.pdf (S. 70 f.).

Quelle(n):

• Hagenmeyer, V. und Piechottka, U. (2009): Innovative Prozessführung – Erfahrung und Perspektiven. atp edition, Heft 1-2 S. 52

Die Kenntnis über die Partikel- oder Tropfengrößenverteilung und die damit einhergehende Größe der Phasengrenzfläche ist entscheidend bei der Steuerung und Regelung disperser Reaktions- oder Prozesssysteme. Eine schnelle Analyse der dispersen Phase ermöglicht die Minimierung von Materialeinsatz, Energieeintrag und/oder Abfallprodukten. Folgende Technologien werden zur Bestimmung von Partikel- oder Tropfengröße und -konzentration eingesetzt:

• Photo-optische Inline-Messtechnik (inklusive innovativer Bildbearbeitungssoftware)
• Diverse Lasermesstechniken wie z. B. Laserbeugung, Photonendichtewellen-Spektroskopie
• Photo-Sonden wie z. B. Endoskope, Mikroskope

Quelle(n):

• Kraume, M. und Maaß, S. (2012): Prozesse auf Basis der Partikelgröße steuern. CITplus, 15. Jahrgang, 05. Jun. 2012, Ausgabe 6 S. 31-33
• Reich, O.; Bressel, L.; Hass, R. und Münzberg, M. (2012): Prozessanalyse stark lichtstreuender Dispersionen mit Photonendichtewellen-Spektroskopie. Chemie Ingenieur Technik, 84, Nr. 8

Bei vielen chemischen Reaktionen beeinflusst der pH-Wert den Reaktionsverlauf (z. B. Reaktionsgeschwindigkeit, Gleichgewicht). Ein Monitoring des pH-Werts unterstützt daher eine optimierte Reaktionsführung, was i. d. R. zu einem effizienten Stoffeinsatz führt. Für den Einsatz im technischen Prozess werden Einstab-Elektroden, bestehend aus Bezugs- und Messelektrode, eingesetzt. Mit ihnen sind kontinuierliche Messungen möglich. Sie sind fest in einer Rohrleitung oder einem Apparat (z. B. Reaktor) installiert.

Quelle(n):

• Ignatowitz, E. (2013): Chemietechnik. 11. Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten. S. 283 f.

Die Prozessanalytik (PAT) bildet den Kern vieler innovativer Technologien (z. B. Predictive Control). Die PAT ist dabei ein multidisziplinäres Thema: angefangen bei der analytischen Methodik über die Entwicklung neuer Sensoren bis hin zur Integration von Daten aus verschiedenen Quellen und Rückkopplungsschleifen. Dies erfordert die Zusammenarbeit von Ingenieuren, Chemikern und Datenwissenschaftlern [DECHEMA (2020)].

Der Einsatz von Prozessanalytik und -steuerung in Bioprozessen ist mit besonderen messtechnischen Herausforderungen konfrontiert: der komplexen Zusammensetzung des Produktgemisches bestehend aus nicht umgesetzten Reaktanten, Produkten und Nebenprodukten sowie insgesamt geringen Konzentrationen der zu detektierenden Substanzen. Des Weiteren sind die zu detektierenden Substanzen im Reaktor nicht gleichverteilt (Inhomogenitäten). Hinzu kommt eine gewisse Varianz in der Zusammensetzung und Qualität der Rohstoffe (Reaktanten).

Für die Implementierung von Bioprozessen in der chemischen Industrie sind Entwicklungen von fortschrittlichen Analyse- und Steuerungstechnologien entscheidend. Hierzu ist der Übergang von Batch- zu kontinuierlichen Analyse- und Steuerungsprozessen notwendig. Voraussetzung ist ein sehr gutes Prozessverständnis bezogen auf den gesamten Prozesszeitraum. Der Vorteil besteht in einer Kontrolle der Qualität in Echtzeit und einer zeitnahen Anpassung der Prozessparameter [DECHEMA (2020)].

Quelle(n):

• DECHEMA (2020): Prozessanalytik – Rasante Entwicklung eines Wegbereiters [online]. DECHEMA – Gesellschaft für chemische Technik und Biotechnologie e.V., 06.02.2020 [abgerufen am: 11.02.2020], verfügbar unter: Link

Bei einer Prozessdiagnose erfolgt das Erkennen kritischer Zustände und Störungen durch die Erfassung, Überwachung und Bewertung relevanter Prozessgrößen. Dazu werden Soll- und Ist-Zustände online und in Echtzeit miteinander verglichen, um gegebenenfalls mit Mitteln der Prozessführung auf identifizierte Störungen zu reagieren. Neben der Diagnose des Prozesszustandes werden in der Regel Informationen zum Zustand und Verhalten der eingesetzten Anlagenkomponenten gewonnen. Die für die Prozessführung und Regelung eingesetzten Feldgeräte (Sensoren, Regler etc.) und deren Messdaten können für die Prozessdiagnose genutzt werden.

Praxisbeispiele:

• Regelgüteauswertung: Die Aufzeichnung und Auswertung relevanter Reglerdaten wie Soll- und Istwerte, Stellgrößen erlauben z. B. mit Hilfe grafischer Darstellungsmethoden die Beurteilung der eingesetzten Regelkreise. Dadurch können nicht optimal eingestellte Regler oder fehlerhafte Stellglieder (z. B. Ventile) leicht identifiziert und Lösungsvorschläge erarbeitet werden. Die Datenerfassung erfolgt in der Regel mit Hilfe des Prozessleit- (PLS) und Prozessinformationsmanagementsystems (PIMS).
• Fingerabdruck-Methode für Batchreaktoren: Um den Reaktionsverlauf eines Batches ad hoc beurteilen zu können, werden im Rahmen dieser Methode eine große Anzahl bereits absolvierter Batchversuche ausgewertet. Alle hinsichtlich Zeit- und Umsatzentwicklung gut verlaufenden Batches werden zusammen in einem typischen Diagrammtyp (z. B. Zeit, Umsatz) dargestellt. Dabei wird ein Reaktionsverlaufsbereich, welcher durch eine obere und untere Verlaufsgrenze markiert ist, ermittelt. Alle Reaktionsverläufe, die innerhalb dieses Bereichs liegen, werden für gut befunden. Alle außerhalb der Bereichsgrenze liegenden Verläufe entsprechen nicht den Vorgaben und sollten aus ökonomischen und ökologischen Gründen abgebrochen werden. Mit dieser Methode werden dem Anlagenfahrer eine sofortige Beurteilung der Verlaufsgüte eines Batches sowie schnelles Handeln ermöglicht.
• Ein weiteres Praxisbeispiel finden Sie unter www.namur.net/uploads/tx_press/atp_02_2008_Prozessfuehrung.pdf (S. 76).

Im Bereich Prozessdiagnose besteht ein großes Potenzial zur Steigerung der Energieeffizienz. Die zurzeit angewendeten Methoden und Tools sollten anwendungsorientierter und funktionaler werden. Zudem sollten sie leichter in die vorhandenen Automatisierungssysteme integrierbar sein.

Quelle(n):

• Hagenmeyer, V. und Piechottka, U. (2009): Innovative Prozessführung – Erfahrung und Perspektiven. atp edition, Heft 1-2 S. 59 ff.
• Krämer, S.; Bamberg, A.; Dünnebier, G.; Hagenmeyer, V.; Piechottka, U. und Schmitz, S. (2008): Prozessführung: Beispiele, Erfahrung und Entwicklung. atp edition, Heft 2 S. 76 ff.

Durch Sensoren generierte Messwerte bilden häufig entscheidende Inputgrößen für Prozessführungsstrategien. Um Fehlentscheidungen vorzubeugen, die zu ungünstigen Betriebspunkten und damit zu erhöhtem Energie- oder Stoffverbrauch führen könnten, ist das Auftreten von Messfehlern zu verhindern. Durch regelmäßiges Kalibrieren der Sensoren wird eine Messung außerhalb der vorgegebenen Toleranzbereiche und somit das Auftreten von Messfehlern verhindert. Sinnvolle Kalibrierabstände werden in der Regel vom Sensorhersteller festgelegt und in der Betriebsanweisung kommuniziert. Eine Dokumentation der Kalibrierdaten (z. B. Kalibrierfunktion) ist sinnvoll, da aus der Kalibrierhistorie diverse Überprüfungen und damit verbundene Rückschlüsse möglich sind:

• Alterung des Sensors (Sensoraustausch)
• Überprüfung der Kalibrierabstände (Verlängerung oder Verkürzung)

Anhand der Messgröße Viskosität kann die Fließfähigkeit einer Flüssigkeit beschrieben und beurteilt werden. Die Viskosität stellt für die Qualitätssicherung und Prozessführung eine wichtige Größe dar. Folgende Messgeräte stehen zur Verfügung:

Höppler-Kugelfall-Viskosimeter

• Nur für diskontinuierliche Messung geeignet; Probenahme notwendig
• Nur für transparente Flüssigkeiten einsetzbar
• Messvorgang dauert einige Minuten
• Messwertnahme und Viskositätsberechnung erfolgen manuell
• Ohne Hilfsenergie
• Einsatz im Labor und im Betrieb

Rotationsviskosimeter

• Zwei Geräteausführungen möglich:
  - Diskontinuierliche Rotationsviskosimeter mit Probenahme für Laboreinsatz
  - Kontinuierliche Rotationsviskosimeter für Inline-Messung direkt in Rohrleitung einer Anlage
• (Elektrische) Hilfsenergie notwendig
• Viskosität wird geräteintern berechnet und im Display angezeigt
• Einsatz in Prozesssteuerung und Qualitätssicherung

Kapillar-Viskosimeter

• Zwei Geräteausführungen möglich:
  - Diskontinuierliche Kapillar-Viskosimeter mit Probenahme für Laboreinsatz
  - Bei einem kontinuierlichen Kapillar-Viskosimeter wird in regelmäßigen Intervallen eine Probe des Messmediums (z. B. aus Rohrleitung) in das Viskosimeter geleitet
• (Elektrische) Hilfsenergie notwendig
• Viskosität wird geräteintern berechnet und im Display angezeigt
• Einsatz in Prozesssteuerung und Qualitätssicherung

Quelle(n):

• Ignatowitz, E. (2013): Chemietechnik. 11. Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten. S. 282 f.

• Neue Wege zu stabilen Bioprozessen: Realisierung und Bereitstellung einer Plattform (multimodalen Sensor- und Software-Plattform) zur Kontrolle und Steuerung von biotechnologischen Prozessen
• Verwenden optischer Informationen von mikrobiellen Organismen zur nachhaltigen Steuerung und Optimierung biotechnischer Prozesse
• Hardware-Anpassung des vorhandenen Benchtop Flow Zytometers
• Weiterentwicklung bioinformatischer Tools zur Auswertung und Interpolation großer zytometrischer Datensätze
• Erstellen eines Interfaces zwischen Zytometer und bioinformatischen Tools
• Untersuchen der Einflussfaktoren auf die Leistungsfähigkeit mikrobieller Systeme

• Hohes Potenzial der Nutzung von Öl aus Mikroalgen als Biokraftstoff durch den großen Ertrag pro Fläche und den verminderten Wasserverbrauch bei der Kultivierung
• Entwicklung einer standardisierten Prozessautomatisierung für die Kultivierung von Mikroalgen zur Anwendung im technischen Maßstab
• Prozessteuerung ausschließlich basierend auf pH-Wert- und Reaktortemperatur-Messung: Regelung des pH-Werts über den CO₂-Anteil in der Zuluft und Rückschließen auf Ammoniumkonzentration
• Etablierung eines stabilen Wachstumsprozesses im Freiland mit einer durchschnittlichen Biomassekonzentration von 8,5 g/L

• Entwicklung eines ortsunabhängigen Miniatur-Messsystems für Bioreaktoren: mobiler Sensor in Gestalt einer kleinen Kugel
• Selbstständige Erfassung von Prozessparametern (z. B. Temperatur der Bioreaktorflüssigkeit) sowie Übertragung und Auswertung der Messdaten an eine Basisstation
• Miniatur-Messsystem entspricht einer Sensorkugel mit 7,8 mm im Durchmesser
• Durch das nichtstarre Messsystem ist eine präzisere Erfassung der tatsächlichen Prozessbedingungen möglich und somit ist der Prozess effizienter steuerbar

• Entwicklung und Umsetzung einer multimodalen Sensor- und Software-Plattform zur Überwachung und Steuerung von biotechnologischen Prozessen
• Kombination von Software und Sensortechnik in einer digitalen Plattform zur gesamtheitlichen qualitativen Prozessbeurteilung
• Entwicklung eines Automatisierungskonzepts für die Software-Plattform nach Bewertung der vorhandenen Marktsituation
• Implementierung etablierter Schnittstellen zum Anschließen der Sensoren an die Software-Plattform
• Zusammenstellen von Informationen zu ökonomischen und ökologischen Prozess- und Produktionskenngrößen
• Ziel der Reproduzierbarkeit von Bioprozessen durch Prozessautomatisierung

• Entwicklung eines ultraschallbasierten Sensorkonzepts zur Bestimmung der Biomassekonzentration
• Untersuchen der Einsatzmöglichkeit zur Abschätzung von Partikelgrößen in Suspensionen
• Fokussierung auf Hygienic Design, Online-Fähigkeit und Übertragbarkeit des Systems auf weitere biotechnologische Prozesse
• Messen von Schallgeschwindigkeit und Dämpfung sowie anschließende Verknüpfung mit akustischer Theorie
• Optimierung der Auswertealgorithmen durch Vergleich mit Referenzmessungen
• Ermöglichung einer In-situ-Messung mit Sensorkonzept aus Messzelle, Transducern und entsprechender Signalanregung/-aufzeichnung

• Entwicklung und Charakterisierung einer miniaturisierten Probenahmesonde für die Single-Use-Bioprozesstechnik
• Auswahl und Charakterisierung von neuen Membranteilen für den Einsatz als Trennmaterial in Filtrationssonden
• Entwicklung und Konstruktion neuer Sondentypen für den Einsatz in der Einweg-Bioprozesstechnik
• Einsatz der Sondenprototypen in realen Fermentationen und Zellkultvierung im Anschluss an Labortests

• Neue Wege zu stabilen Bioprozessen: Realisierung und Bereitstellung einer Plattform (multimodalen Sensor- und Software-Plattform) zur Kontrolle und Steuerung von biotechnologischen Prozessen
• Entwicklung austauschbarer Sensorkartuschen für Gase
• Sensoren basieren auf Infrarotmesstechnik
• Justierbarkeit der Sensoren für jede Gaskonzentration soll ohne zusätzliche Hilfsmittel möglich sein
• Ermöglichen des Wechselns der Kartusche ohne Sensoraustausch
• Entwicklung einer stabilen, resistenten Membran mit guten Diffusionseigenschaften für Gase zum Einsatz in IR-Ethanol-/Methanolsensoren mit geringer Baugröße

• Neue Wege zu stabilen Bioprozessen: Realisierung und Bereitstellung einer Plattform (multimodalen Sensor- und Software-Plattform) zur Kontrolle und Steuerung von biotechnologischen Prozessen
• Entwicklung eines optischen, enzymatischen Glucosesensors für die Online-Erfassung der Glucosekonzentration
• Universell einsatzbares Sensorsystem inkl. Messverstärker zur Detektion und Quantifizierung von Glucose
• Messung unter unterschiedlichen Bedingungen möglich (Temperatur, Sauerstoffkonzentration)
• Keine negative Beeinflussung des biologischen Prozesses, da nicht cytotoxisch
• Implementierbar in übergeordnete Prozessleitstrukturen

• Evaluierung neuer Konzepte zur Bioprozesskontrolle und Bioprozesssteuerung
• Evaluierung, Implementierung und Qualifizierung neuartiger Sensoren
• Evaluierung mathematisch-statistischer Auswertemethoden
• Feldtests der Implementierungen an tierischen Zellstrukturen und mikrobiellen Fermentationen
• Plausibilitätsprüfung der einzelnen Sensordaten durch Verknüpfung der Sensorergebnisse mit den entsprechenden Reaktorparametern
• Entwerfen neuartiger Integrationsmöglichkeiten zum Einsatz von Sensoren in Einweg-Biokatalysatoren bei der Herstellung von Biopharmazeutika
• Konzeption von Single-Use-Biokatalysatoren zum Einsatz in der mikrobiellen Fermentation
• Aufbau eines Netzwerks aus etablierter und neuer Sensorik

• Neue Wege zu stabilen Bioprozessen: Realisierung und Bereitstellung einer Plattform (multimodalen Sensor- und Software-Plattform) zur Kontrolle und Steuerung von biotechnologischen Prozessen
• Optimierte Auswertung von Prozessdaten durch eine konsistente Erfassung aller Daten in SIPAT
• Bewertung neuartiger Sensortechnologien hinsichtlich der Integrierbarkeit in eine Automatisierungsplattform für Bioprozesse
• Verbesserung des Prozessverständnisses und der Produktqualität durch Anwendung von Advanced-Process-Control-Strategien
• Sicherstellen der Übertragbarkeit des Gesamtkonzepts in das industrielle Umfeld

• 20 Partner haben sich zu Bündnis "Wissensbasierte Prozessintelligenz" formiert
• Ziel: besseres Monitoring von Prozessen der Bioproduktion zum Erlangen eines besseren Prozessverständnisses
• Durch höhere Prozesssicherheit sollen eingesetzte Ressourcen effizienter genutzt werden