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Kontinuierliche, exakt geregelte Nährstoffzuführung in einen Bioreaktor
Ein Bioreaktor soll eine möglichst hohe Produktausbeute liefern. Dazu bedarf es einer exakten Regelung aller wichtigen Parameter wie Nährstoffkonzentration, Temperatur oder Sauerstoffgehalt, um die Fermentation optimal zu unterstützen. Erfahren Sie, wie Sie mit maßgeschneiderten Ventil- und Sensor-Lösungen für sichere, reproduzierbare Prozesse in Ihren Fermentern sorgen.
Die Herausforderungen des Fermentationsprozesses
Dem Bioreaktor werden im laufenden Fermentationsprozess ständig Substrate zugeführt, das Endprodukt wird kontinuierlich entnommen. Ein geschlossener Regelkreis sorgt dafür, dass die zu regelnden Parameter stets möglichst genau den vorgegebenen Sollwerten entsprechen. Dabei gilt es zahlreiche Herausforderungen zu bewältigen:
Probenentnahme
Gasabführung
Nährstoffzuführung
Zellernte
SPS
Biologisches Material
35 °C-37 °C (optimale Wachstumstemperatur)
Biokatalysatoren (Zellen oder Enzyme)
Produkte
Nährstofflösung
Durchflussregelung
Gaszuführung: Im Fermentationsprozess kommen vier Gase zum Einsatz: Sauerstoff O₂, Stickstoff N₂, Kohlendioxid CO₂ und Luft. Für ein optimales Produktwachstum gilt es diese optimal zu regeln.
Herausforderungen und Probleme bei konventionellen Lösungen
Das Kultursystem im Fermenter unterliegt einer kontinuierlichen Zell-Fütterung. Der biochemische Prozess reagiert äußerst sensibel auf veränderte Parameter. Deshalb darf nie zu wenig oder zu viel Nährlösung zugeführt werden. Ist der Prozess gestört, werden alle ergänzten Stoffe unbrauchbar, was unnötige Kosten und zeitliche Verzögerungen verursacht. Um das Continuous Feeding zu regeln, werden häufig Membranventile eingesetzt, die jedoch keine optimale Regelcharakteristik aufweisen.
A: zu geringe Nährstoffzuführung; B: korrekte Nährstoffzuführung; C: überhöhte Nährstoffzuführung
Für eine zuverlässig funktionierende Fermentation ist es wichtig, dass Produktions- und Reinigungszyklen sicher voneinander getrennt werden. Kontaminationen mit Fremdkeimen oder CIP-Medien würden die komplette Charge des fermentierten Produktes unbrauchbar machen. Um unnötig hohe Kosten zu vermeiden, werden in herkömmlichen Anlagen zur Kontrolle des Durchflusses oft Coriolis-Messgeräte verwendet, die allerdings schwer und unhandlich sind und die Pumpkosten in die Höhe treiben.
Durchflussmesser, Temperatursensoren, Regelventile und andere Komponenten sind oft an schwer zugänglichen Stellen in der Anlage angebracht. Darüber hinaus sind die Geräte meist groß und schwer – ein konventioneller Durchflussmesser und ein ebensolches Ventil können zusammen schnell 18 bis 20 Kilogramm auf die Waage bringen. Diese Faktoren erschweren sowohl die Montage als auch die spätere Wartung im Produktionsalltag.
Die durchgängige Überwachung der korrekten Glukose-Zufütterung soll die Produktionsprozesse absichern und die Anlagenverfügbarkeit gewährleisten – mit möglichst geringem personellem Aufwand. Gleichzeitig dient sie dazu, den zahlreichen Regelungen und Vorschriften in der Pharmaindustrie zu entsprechen, die eine lückenlose Dokumentation der Messparameter für eine eindeutige Rückverfolgbarkeit fordern. Nicht alle Prozessregelungen erfüllen diese Vielzahl an Anforderungen.
Mit maßgeschneiderten Systemen Bioreaktoren sicher, schnell und automatisiert regeln
Nur wenn alle Regelkreise einwandfrei funktionieren, können Ihre Maschinen für effiziente Produktionsprozesse und qualitativ hochwertige Endprodukte sorgen. Ventildimensionierung und Regelkreisauslegung sind oft komplex und zeitaufwändig. Verschaffen Sie sich im ersten Schritt mit unserem Ventilauslegungs-Tool einen Überblick, welche Ventillösung für Ihren Fermentationsprozess in Frage kommt. Im zweiten Schritt beraten wir Sie gerne persönlich und stellen Ihnen perfekt ausgewählte und dimensionierte Produkte zusammen.
Alternativ bieten wir Ihnen komplette Systemlösungen, die Ihren Aufwand bei Engineering- und Fertigungsprozessen reduzieren – gerne mit Automatisierung. Sprechen Sie direkt mit unseren Experten!
Gaszuführung
Durchflussregelung
Probenentnahme
Gasabführung
SPS
Faltenbalgventil inklusive ELEMENT-Positioner
FLOWave Typ 8098
Nährstofflösung
Die Vorteile der Bürkert-Systemlösung:
Im Gegensatz zu herkömmlichen Lösungen sieht die Bürkert-Lösung einen lokalen Regelkreis vor, der für einen unmittelbaren Austausch zwischen Durchflussmesser und Faltenbalgventil sorgt. Das Ventil regelt die Menge der zuzuführenden Nährstofflösung auf Basis der Informationen des FLOWave. Die angeschlossene SPS überwacht nicht nur den Prozess, sondern gleicht auch die zugeführten Mengen mit dem tatsächlichen Bedarf des Fermenters ab, der sich aus zahlreichen Messwerten errechnet. Konventionelle Lösung: Bürkert-Lösung:
Mit den kompakten Bürkert-Komponenten lassen sich besonders platzsparende und flexible Maschinenkonzepte realisieren. Um für die Herausforderungen der Gegenwart und Zukunft gerüstet zu sein, integriert Bürkert zudem in all seine Stellungsregler moderne digitale Konnektivität etwa zu High-Level-Feldbussen oder IO-Link. So lassen sich die Komponenten nahtlos in Ihre Steuerungssysteme einbinden, was die Komplexität der Anlagen in vielerlei Hinsicht minimiert.
Konventionelle Lösung: Bürkert-Lösung:
Konventionelle Lösung: DN1/2“: 460 x 177 x 75 mm; Ventil DN 1/2“: 242 x 327 x 147 mm Bürkert-Lösung: FLOWave (Nennweite DN 1/2“): (50+92) x 250 x 158 mm; Bürkert-Ventil (Nennweite DN 1/2“): 65 x (157+38) x 110 mm
Steuerungslösungen für fluidische Prozesse von Bürkert sind stets auf die spezifischen Anforderungen etwa im Fermentationsprozess zugeschnitten. Entweder als perfekt ausgewählte und dimensionierte Einzelprodukte oder als kompletter Regelkreis, der Ihren Aufwand bei Engineering- und Fertigungsprozessen reduziert. Derartige Systemlösungen können in der Regel die Gesamtkosten im Gegensatz zum Einkauf einzelner Komponenten deutlich verringern.
Die Inbetriebnahme von Regelkreisen ist oft eine zeitaufwändige Aufgabe. Doch es gibt Möglichkeiten den Prozess zu beschleunigen: Die Autotune-Funktionalität, die standardmäßig in die meisten Stellungsregler von Bürkert eingebaut ist, sorgt dafür, dass sich die Regler per Knopfdruck automatisch an die Verhältnisse der Anlage anpassen. Auch das geringere Gewicht und die kompakte Bauform der Bürkert-Komponenten tragen zu einer schnellen Montage bei – selbst an schwer zugänglichen Stellen.
Konventionelle Lösung: Bürkert-Lösung:
Bauraum und Gewicht einsparen
Bei herkömmlichen Lösungen beträgt das Gesamtgewicht der beiden Komponenten, die für eine geregelte Zufuhr von Nährstofflösung in den Bioreaktor sorgen, etwa 18,5 kg, wenn man eine Nennweite von je DN ½“ zugrunde legt. Im Gegensatz dazu beläuft sich das Gesamtgewicht der Bürkert-Lösungen mit gleicher Nennweite auf lediglich 4,4 kg. So lassen sich mit dem lokalen Regelkreis von Bürkert ca. 14 kg Gewicht einsparen. Die Lösung benötigt zudem sehr viel weniger Bauraum, was zu flexibleren Anlagenkonzepten, kürzeren Montagezeiten und niedrigeren Maschinenkosten führt.
Mit unserem Ventilauslegungs-Rechner lassen sich Sitzventile und Membranventile mit pneumatischen und elektromotorischen Antrieben einfach und korrekt auslegen.
Die Bürkert resistApp unterstützt Sie bei der Suche nach verträglichen Werkstoffen und stellt Ihnen Informationen zur chemischen Beständigkeit von Elastomeren, Kunststoffen und Metallen für eine Vielzahl gasförmiger und flüssiger Medien zusammen.
