WAVESCATTER

Winkelauflösende Wellenleiter-Streulichtsonde für die Inline-Prozessanalytik (WAVESCATTER)

Mit Photonen im Trüben messen

Wirkstoffe für Medikamente werden heute zum großen Teil durch spezielle Mikroorganismen in Bioreaktoren produziert. Die Mikrobenkultur wird dabei zusammen mit einer geeigneten Nährlösung in den Bioreaktor gebracht, vermehrt sich dort und produziert dort im Idealfall die gewünschte Substanz wie z.B. Insulin, dem Lebensretter für Diabetiker. Damit das gelingt darf die Mikrobenkultur im Bioreaktor auf keinen Fall mit anderen Mikroorganismen oder Substanzen, die die Vitalität der Mikroben beeinträchtigen können, verunreinigt werden. Das gelingt am besten wenn der Reaktor hermetisch abgeschlossen wird, bis der Produktionsprozess abgeschlossen ist.

Dies stellt ein Problem dar, da der Prozess für eine optimale Ausbeute ständig überwacht werden muss, um z.B. festzustellen, ob die Nährlösung ausreicht oder ob die Mikrobenkultur abstirbt bzw. den richtigen Wirkstoff produziert.

Mit photonischen Messverfahren können Prozesse im Bioreaktor analysiert werden ohne die Mikroorganismen bei der Arbeit zu stören oder die Charge zu verunreinigen. Allerdings sind diese Verfahren in stark streuenden Medien wie z.B. der Nährlösung eines Bioreaktors nur schwer einsetzbar.

Bislang müssen Proben aus dem Reaktor entnommen und verdünnt werden, um z.B. die Partikelgrößenverteilung messen zu können. Diese ist beispielsweise in Bioreaktoren ein Hinweis darauf wieviele Mikroorganismen leben und wieviele bereits abgestorben sind. Damit die Probenentnahme aus Bioreaktoren, Biofermentern u.ä. nicht mehr notwendig ist, hat sich das Konsortium im vorliegenden Verbundprojekt zusammengefunden, um eine optische Tauchsonde zu entwickeln, mit der durch winkelaufgelöste Streulichtmessung die Größenverteilung von Partikeln z.B. in Biofermentern bestimmt werden kann.

Damit das gelingt, muss der gesamte Messau au miniaturisiert werden. Dazu will das Konsortium im Verbundprojekt WAVESCATTER Glassubstrate mit einem Kurzpulslaser bearbeiten und damit einen optischen Chip herstellen, der in diesem Fall die gesamte Optik für die winkelaufgelöste Streulichtmessung enthält und so klein ist, dass er bequem in eine Tauchsonde eingebaut werden kann. Aus dem winkelaufgelösten Streulichtsignal können über die Partikelgrößenverteilung Informationen über die Viabilität der Zellkultur im Inneren des Bioreaktors gewonnen und zur Prozesssteuerung verwendet werden.

Wenn die Arbeiten erfolgreich abgeschlossen werden, steht der Prozessanalytik in den Bereichen Arzneimittelherstellung und Lebensmittelproduktion ein neues Werkzeug zur Verfügung, mit dem Prozessparameter einfacher, flexibler und umfassender erfasst werden können.

Projektdetails

Koordinator

Dr. rer. nat.Oliver Mandal
Hellma GmbH & Co. KG
Klosterrunsstr. 5, 79379Müllheim
+49 7631 182-1411

Projektvolumen

2,4 Mio. € (Förderquote: 56,2%)

Projektdauer

01.04.2017 - 31.03.2021

Projektpartner

Hellma GmbH & Co. KGMüllheim
Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT)Aachen
ABS Gesellschaft für Automatisierung, Bildverarbeitung und Software mbHJena
ARTES Biotechnology GmbHLangenfeld (Rheinland)
LightFab GmbHAachen
Hitec Zang GmbHHerzogenrath