Bioprozesse mit NIR-Nahinfrarotspektroskopie in Echtzeit überwachen

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Chemische Fabrik Dr. Weigert GmbH & Co. KG

Alleskönner gesucht – simultane Multiparameteranalytik

Die NIR-Spektroskopie ist bekannt für eine verlässliche quantitative Bestimmung mehrerer Parameter. Auch bei Fermentationsprozessen können verschiedene Parameter gleichzeitig erfasst werden, wobei die besondere Stärke in der Vorhersage von Zellparametern liegt, da diese Information aus dem Anteil des Streulichtes gewonnen wird. So ist z.B. die Bestimmung der Gesamtzellzahl in der Kultivierung von tierischen Zellen sehr gut möglich. Dabei kann mithilfe der statistischen Modellbildung sogar eine genauere Vorhersage erzielt werden als es mit typischer Laboranalytik möglich wäre.

Dies liegt an der Labormethodik der Zellzählung selbst sowie Schwankungen, die durch die Probennahme und -vorbereitung verursacht werden. Auch die Viabilität, also der Anteil der lebenden Zellen an der Gesamtzellzahl kann mithilfe der NIR-Spektroskopie auf wenige Prozent genau erfasst werden. Dies ist besonders für die Bestimmung des Abbruchzeitpunktes einer Kultivierung von großem Interesse, da mit abnehmender Viabilität die Aufreinigung des Produktes zunehmend erschwert wird.

Neben den Zellparametern können auch einzelne Nährstoffe wie Glukose bestimmt werden, sofern sie in ausreichender Konzentration – einige Gramm pro Liter – vorliegen. Die Genauigkeit der Vorhersagen kann dabei nicht mit den exzellenten Labormethoden mithalten, gibt aber im Gegenzug ein Echtzeitprofil, das vor allem in Hinblick auf Feed-Strategien von enormen Nutzen sein kann.

Auch wenn eine Zufütterungskontrolle auf alleiniger Basis der NIR-Spektroskopie noch aussteht, so scheint es dennoch ein gangbarer Weg zu sein. Das ist besonders in bakteriellen Fermentationen von großem Interesse, weil die Ergebnisse der Laboranalytik nur mit erheblicher Zeitverzögerung zur Verfügung stehen, was für diese hoch dynamischen Prozesse häufig zu spät ist. Die Online-Vorhersage mittels NIR-Spektroskopie kann somit Informationen liefern, die für die Optimierung der Prozesssteuerung von großem Nutzen sein können.

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