„Automatisierte Probeentnahme bei der Fermentationsentwicklung –

Beispiel für eine erfolgreiche Zusammenarbeit

 

Automated fermentation sampling –

Collaborative project proves a success

 

Im bioverfahrenstechnischen Labor VT-B in Hanau-Wolfgang stehen Mikroorganismen und Enzyme im Mittelpunkt: Gemeinsam mit den Kollegen aus dem Projekthaus ProFerm und dem Servicecenter Biokatalyse werden effiziente und umweltschonende biotechnologische Produktionsverfahren auf Basis Fermentation für unterschiedliche Business Units der Degussa entwickelt. In parallel betriebenen Kleinfermentern im Ein-Liter-Maßstab werden Mikroorganismen durch optimierte Prozessbedingungen zu Hochleistungen angespornt, so dass die gewünschten Zielprodukte, zum Beispiel Pharma-Aminosäuren, Kosmetikzusatzstoffe oder Enzyme in hoher Ausbeute entstehen.

Eine Fermentation dauert mehrere Tage, wobei tagsüber regelmäßig Proben zur Bestimmung wichtiger Prozessparameter aus dem Fermenter gezogen werden. Da üblicherweise nicht im Schichtbetrieb gearbeitet wird, konnten bislang über Nacht keine proben genommen werden, auch wenn dies oft wünschenswert gewesen wäre. Es entstand der Bedarf, die Probenahme zu automatisieren.

Die Beprobung stellt hohe Anforderungen an die Hard- und Software: Für jeden der vier Fermenter sollen individuelle Probenahmepläne erstellt werden können. Das Volumen pro Probe soll maximal 10 ml betragen. Die Fermenter dürfen während der Probenahme nicht unsteril werden – das heißt, es dürfen keine Fremdkeime wie Bakterien oder Pilze aus der Raumluft in den Fermenter gelangen. Die gezogenen Proben müssen außerdem gekühlt gelagert werden, um die Stoffwechselaktivität herunterzufahren. Das Gesamtsystem muss autark, sicher und zuverlässig funktionieren und von außen überwacht werden können.

In enger Zusammenarbeit zwischen dem Projekthaus ProFerm, VT-A und VT-B sowie der Ausbildungswerkstatt von IPW wurde ein Probenahmesystem (inklusive Software) konzipiert und im Labor aufgebaut. Das Gerät besteht aus einem XY-Achsensystem mit Schrittmotorsteuerung. Für jede Probenahmestelle wird eine Pumpe angesteuert, die das gewünschte Probenvolumen aus dem jeweiligen Fermenter pumpt. Die Proben werden in einem Rack gesammelt, das mit 64 Reagenzgläsern bestückt werden kann. Das Rack steht in einem Wasserbad, das auf die notwendige Temperatur gekühlt wird.

Für die Auszubildenden Thomas Stein und Daniel Müller war die Mitarbeit in diesem Projekt eine besondere Herausfoderung. Die Aufgabenstellung passte optimal zu ihrer Ausbildung zum Mechatroniker, der die Schnittstelle zwischen Mechaniker und Elektriker bildet. Sie konnten diese Arbeit erfolgreich als Thema für den praktischen Teil ihrer Abschlussprüfung verwenden.

 

Verfasser: Christine Wunderlich, VT-B
                Oliver Reß, VT-A“

(Zitat aus Fachzeitschrift TE-Times vom Oktober 2004)

 


Bild 1: Der automatische Probennehmer: Die Fermenter stehen auf der Rückseite der Anlage./ Fig. 1: The automatic sampler: The fermenters are situated to the rear of the sampling unit.

Bild 2: Die angehende Mechatroniker Thomas Stein und Daniel Müller
Fig 2: Trainee mechatronic technicians Thomas Stein and Daniel Müller

Bild 3: Teilansicht der Kleinfermenteranlage mit vier Kulturgefäßen
Fig. 3: Partial view of the small fermentation system with four culture vessels

 

"Work at the Bioprocess Technology Lab VT-B in Hanau-Wolfgang is centered on microorganisms an enzymes. Together with colleagues at the ProFerm project house and the Biocatalysis Service Center, VT-B develops efficient, environmentally benign, fermentation-based biotech production processes for a variety of Degussa business units. Getting peak performance from microorganisms and ensuring high yields of the desired target products, such as pharmaceutical amino acids, cosmetic additives, or enzymes, involves optimizing process conditions in the small one-liter fermenters that are operated in parallel.

A fermentation run takes several days to complete. During the day regular samples are withdrawn from the fermenter to measure important process parameters. As shift working is not normal practice, overnight sampling, though desirable, was not realizable up until now. This situation created a need to automate the sampling process.

Fermentation sampling places high demands on the hardware and software involved. The sampling system should permit individual sampling plans to be created for each of the four fermenters. The maximum sample volume is 10 ml. The fermenters must not become unsterile during sampling – that is, no foreign microorganisms such as air-borne bacteria or fungi must enter the fermenters. The samples must be stored at low temperature to reduce metabolic activity. The entire system must function autonomously, safely, and reliably, and must be able to be monitored externally.

The sampling system, including the software, was designed and installed in the laboratory in a close collaborative effort between the ProFerm project house, VT-A and VT-B, and IPW training workshop. The sampler comprises an xy-axis system with stepper-motor control. At each sampling point, a pump is actuated that withdraws the requisite sample volume from the relevant fermenter. The samples are collected in a rack that can accommodate a total of 64 test tubes. The rack is located in a water bath that is cooled to the required temperature.

For trainees Thomas Stein and Daniel Müller working on the sampling project was a special challenge. As they are both currently training to become mechatronic technicians (mechatronics is at the interface between mechanical and electrical engineering), the project work was ideal, and they were able to use it for the practical part of their final examinations.

 

Christine Wunderlich, VT-B
Oliver Reß, VT-A
"

(Quote from specialist magazine TE-Times from October 2004)