Automatisierung von Bioreaktoren Drei Bioreaktoren – vom Labor bis zur Produktion

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Festo zeigt auf der Analytica, wie sich Bioreaktoren für Algen, Bakterien und Hefen automatisieren lassen. Das Unternehmen präsentiert Komponenten und Lösungen für Gas Handling, Liquid Handling und Steuerungstechnik – vom einzelnen Ventil bis zum einbaufertigen Schaltschrank.

Bioprozesse stellen nachhaltige Alternativen zu herkömmlichen Produktionsprozessen dar und ermöglichen die Herstellung neuer Produkte. Auf der Analytica präsentiert Festo mit Biotech Automation eine Übersicht bereits erhältlicher Komponenten und Lösungen anhand ausgewählter Kultivierungsprozesse. Das Unternehmen zeigt drei Bioreaktoren: einen Schlaufen-Bioreaktor für Algen am Beispiel von Chlorella vulgaris, einen Edelstahlreaktor für die Kultivierung von Mikroorganismen wie E. coli sowie einen Benchtop-Laborreaktor zur Aus- und Weiterbildung.

Edelstahlbioreaktor für industrielle Biotechnologie

Nummer 1: der Edelstahlbioreaktor. Damit Mikroorganismen wie Bakterien, Algen und Hefen ideal wachsen und eine hohe Biomasse erzeugen, müssen im Reaktor Umgebungsbedingungen herrschen, die exakt auf deren Bedürfnisse zugeschnitten sind. Dies erfordert das Messen, Erfassen und Regeln vieler Prozessgrößen. Neben Temperatur und pH-Wert spielen die konstante Versorgung mit Nährstoffen (Flüssigmedien) sowie die exakte Begasung mit Luft, Sauerstoff oder weiteren Gasen und deren gleichmäßige Verteilung im Reaktor eine zentrale Rolle. Festo stellt hierfür Aktorik- und Sensorik-Komponenten sowie Lösungen aus den Bereichen Gas Handling, Liquid Handling, Motion und Steuerungstechnik (Control) zur Verfügung – bis hin zum einbaufertigen Schaltschrank.

Der Edelstahlbioreaktor eignet sich u. a. für die Kultivierung von Mikroorganismen wie E. coli und findet in der industriellen Biotechnologie häufig Anwendung. Zur Dosierung der Gase kommen VEMD-Massendurchflussregler zum Einsatz. Neben Luft dosiert das System auch Stickstoff, CO₂ und Sauerstoff.

Für flüssige Medien wendet Festo das Pressure-Over-Liquid-Verfahren an: Das Proportional-Druckregelventil VEAB erzeugt einen Vordruck auf einen Medienbehälter. Durch den Überdruck gelangt das Medium in den Reaktor. Das mediengetrennte Magnetventil VYKA kontrolliert laut Unternehmensangaben selbst kleinste Mengen hochpräzise und eignet sich auch für aggressive Stoffe wie Laugen, Säuren und andere Chemikalien.

Zur Temperierung des Reaktors setzt Festo das FDA-konforme Kugelhahnventil VZBD ein, das vom Schwenkantrieb DFPD und dem Positionierer CMSX eingestellt wird. Die Steuerung CPX-E steuert alle Komponenten im Reaktor und regelt automatisiert pH-Wert, Temperatur und weitere Einflussfaktoren für das Wachstum der Mikroorganismen. Eine Anbindung an ein Leitsystem mittels MTP-Standard ist möglich.

Algenreaktor nutzt Photosynthese

Nummer 2: der Algenreaktor. Für das Wachstum von Algen ist die Photosynthese ein zentraler Stoffwechselweg. Dabei wandelt sich CO₂ in Zucker um und Sauerstoff wird freigesetzt. Die beiden je sechs Liter fassenden Flat-Panel-Airlift-Photobioreaktoren (FPA) von Subitec ermöglichen die produktive Kultivierung von Mikroalgen durch die optimale Nutzung von Licht, CO₂ und Nährstoffen. Die Applikation zeigt zwei Wege der kontrollierten Begasung: Einerseits fördert je ein Massendurchflussregler VEMD für Luft und CO₂ genau die richtige Menge in den Reaktor. Andererseits kontrolliert der Druckregler VEAA in Verbindung mit dem Durchflusssensor SFAH die Begasung. Dieser misst die tatsächliche Menge an CO₂ und Luft.

Das pneumatisch angetriebene lebensmittelechte Quetschventil VZQA dient zum Befüllen und Entleeren des Reaktors oder zur Probenentnahme. Angesteuert werden diese Ventile mit der neuen Ventilinsel VTUX. Die CPX-E sorgt für die Steuerung und Regelung der Komponenten im Reaktor und regelt automatisiert pH-Wert, Temperatur, Begasung und Licht.

Lernreaktor für Biomechatronik

Nummer 3: der Lernreaktor. Den Herausforderungen im Bereich Biologisierung begegnet Festo nicht nur von technischer Seite. Als wichtiger Unterstützer in der technischen Aus- und Weiterbildung hat das Unternehmen auch die künftig notwendigen Qualifikationen im Blick. Der Lernreaktor zeigt ein modulares Konzept mit Lernsoft- und Lernhardware für die technischen Grundlagen in der Biomechatronik. Anhand eines Bioprozesses vermittelt das System Inhalte zu Elektrotechnik, Mechanik, Informatik und biologischen Prozessen.

Maßgeschneiderte Systemlösungen

Neben einzelnen Komponenten bietet Festo auch maßgeschneiderte Systemlösungen für Bioreaktoren an. Dabei entstehen aus ausgewählten Komponenten angepasste Automatisierungslösungen, z. B. in Form von kompletten Schaltschränken. Zusätzlich kann kundenspezifische Software von der Steuerung bis zur Cloud erstellt werden. Durch die nahtlose Integration der Systeme und die Möglichkeit der Datenanalyse in Echtzeit gelingt eine effiziente und transparente Prozesssteuerung.

Analytica 2026: Halle B2, Stand 309

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