Seit tausenden von Jahren macht sich der Mensch Mikroorganismen zunutze. Bakterien, Hefe oder Schimmelpilze kommen bei der Herstellung von Lebensmitteln, wie Brot, Bier oder Joghurt zum Einsatz. Auch Arzneimitteln wie Antibiotika und Insulin werden auf Basis von Mikroorganismen hergestellt. Die sogenannte Fermentation ist dabei ein wichtiger Produktionsschritt, bei dem die Zellen, die entweder das pharmakologische Produkt oder eine Vorläufersubstanz bilden, vermehrt werden. Damit Mikroorganismen bei diesem Prozess optimal gedeihen können, dürfen pH-Wert, Glukose- und Sauerstoffkonzentration kritische Grenzwerte nicht über- oder unterschreiten. Um die Kultivierung zu überwachen, werden bisher mit einer Pipette Proben entnommen und manuell Nährlösungen zugeführt. „Beides kann jedoch zu Verunreinigungen und Ungenauigkeiten führen“, schildert Johannes Österreicher von der Siemens Forschungsabteilung Corporate Technology die bisher gängige Praxis.
Forscher aus Österreich entwickeln autonomes System zur Prozesskontrolle
Abhilfe soll das Fermentersystem AFCoSy (Autonomous Fermentation Control System) schaffen, das eine einfache und kosteneffiziente Prozesssteuerung ermöglicht. Im Vergleich zu bisher marktüblichen Produkten kommt AFCoSy ohne einen komplexen Aufbau mit vielen Schläuchen und Pumpen aus und arbeitet autonom. Vor dem Einsatz definiert der Anwender am Computer, welche Parameter zur optimalen Fermentation erfüllt sein müssen. Während des Wachstums der Zellen ist kein weiterer Eingriff nötig. Die Bedingungen, unter denen die Fermentation abläuft, sowie mögliche Veränderungen der Mikroorganismenkulturen werden vollautomatisch über einen dreiteiligen Steuerkopf geregelt. Der Steuerkopf ist mit jedem handelsüblichen Schüttelkolben kompatibel und enthält einen Sensor, der die Messwerte erfasst, eine Pumpe, die Nährflüssigkeit aus einem integrierten Vorratsbehälter in den Kolben eintropft, und eine Auswerteelektronik, die den gesamten Prozess regelt. Die Kommunikation der Messdaten erfolgt über eine Infrarotschnittstelle.
Ressourcenschonend und vielseitig einsetzbar
Der autonome Prozess spart Zeit und verbessert die Qualität des Produktes, weil Kontaminationen und Zugabefehler vermieden werden. Außerdem werden geringere Materialressourcen verbraucht, weil weniger Proben angesetzt werden müssen. „Wir haben ein spezielles Messverfahren entwickelt, das mit einem einzigen Sensor auskommt und in viertelstündlichen Intervallen pH-Wert, Sauerstoffpartialdruck und Glukosewerte bestimmt. Üblicherweise werden dafür mindestens zwei Sensoren benötigt“, sagt Johannes Österreicher von Siemens. Die optimierte Prozesssteuerung ist unter anderem für die personalisierte Medizin bedeutsam, die oft nur kleine Mengen eines bestimmten Wirkstoffes benötigt. Der Elektronikteil des neuen Systems kann abgetrennt werden. Dadurch können die restlichen Elemente sterilisiert und wieder verwendet werden. Das hat insbesondere für den Einsatz in der Pharmaindustrie eine wesentliche Bedeutung.
Über hi!tech – Das Innovationsmagazin von Siemens Österreich
Die Faszination Hightech ist es, mit der sich hi!tech seit mehr als 15 Jahren beschäftigt. Das Innovationsmagazin von Siemens Österreich stellt Bedeutung und Nutzen von Technik für Mensch, Gesellschaft und Umwelt dar. Diesen Fokus hat auch der hi!tech-Technologieblog von Siemens Österreich: www.hitech.at. Darüber hinaus berichtet der Blog über Ergebnisse internationaler Forschung in Unternehmen, Forschungsinstitutionen und an Universitäten. Das Innovationsmagazin hi!tech erscheint 3x im Jahr mit einer Auflage von rund 20.000 Stück.
Über Siemens Österreich
Siemens Österreich zählt zu den führenden Technologieunternehmen des Landes. Insgesamt arbeiten für Siemens in Österreich rund 10.200 Menschen. Der Umsatz lag im Geschäftsjahr 2016 bei rund 3,3 Milliarden Euro. Die Geschäftstätigkeit konzentriert sich auf die Gebiete Elektrifizierung, Automatisierung und Digitalisierung. Dazu gehören im Wesentlichen Systeme und Dienstleistungen für die Energieerzeugung, -übertragung und -verteilung ebenso wie energieeffiziente Produkte und Lösungen für die Produktions-, Transport- und Gebäudetechnik bis hin zu Technologien für hochqualitative und integrierte Gesundheitsversorgung. Automatisierungstechnologien, Software und Datenanalytik spielen in diesen Bereichen eine große Rolle. Mit seinen sechs Werken, weltweit tätigen Kompetenzzentren und regionaler Expertise in jedem Bundesland trägt Siemens Österreich nennenswert zur heimischen Wertschöpfung bei. Im abgelaufenen Geschäftsjahr betrug alleine das Fremdeinkaufsvolumen der Siemens AG Österreich bei rund 10.500 Lieferanten – etwa 6.700 davon aus Österreich – über 1 Milliarde Euro. Siemens Österreich hat nicht nur die Geschäftsverantwortung für den heimischen Markt, sondern auch für 18 weitere Länder in der Region Zentral- und Südosteuropa sowie Israel.
Weitere Informationen: www.siemens.at
-> Dieses Projekt wurde von der Wirtschaftsagentur Wien im Rahmen des Calls "From Science to Products 2013" unterstützt.