Fermentationsüberwachung und Prozesssteuerung bedeuten, optimale Wachstums- und Fermentationsbedingungen für Mikroorganismen zu schaffen und so eine stabile Effizienz, Ausbeute und gleichbleibende Produktqualität zu gewährleisten. Schlüsselparameter wie pH-Wert, gelöster Sauerstoff, Temperatur, Substratkonzentrationen und Viskosität bestimmen Qualität und Effizienz in pharmazeutischen Fabriken, in denen strenge Anforderungen an die Prozesslinie gestellt werden.
Erfordernisse der Viskositäts- und Konzentrationsüberwachung von Fermentationsbrühe
Sowohl Konzentration als auch Viskosität dienen als dynamische Indikatoren für mikrobielles Wachstum, Zelldichte und Zusammensetzung der Nährlösung und beeinflussen maßgeblich kritische Faktoren wie Stofftransport, Sauerstoffverfügbarkeit und Nährstoffverteilung. Ohne sorgfältige Überwachung und Steuerung der Fermentation können Schwankungen von Konzentration und Viskosität das empfindliche Gleichgewicht der Fermentationsumgebung stören und zu geringeren Erträgen, uneinheitlicher Produktqualität und kostspieligen Ineffizienzen führen.
Die kontinuierliche Online-Überwachung des Fermentationsprozesses liefert Echtzeitdaten und ermöglicht es den Bedienern, Parameter wie Nährstoffzufuhr und Belüftungsgrad schnell und präzise anzupassen. Dadurch werden die negativen Auswirkungen verzögerter und zeitaufwändiger manueller Probenahmen vermieden.
Überblick über den Penicillium-Fermentationsprozess
Die pharmazeutische Fermentation ist ein anspruchsvolles Projekt der Mikrobiologie und des Ingenieurwesens, bei dem sorgfältig kultivierte Mikroorganismen, wie Bakterien oder Pilze, lebenswichtige Bioprodukte wie Antibiotika, Impfstoffe und Enzyme herstellen.
Der Fermentationsprozess von Penicillium beginnt mit der Inokulumpräparation in Anzuchtbehältern. Anschließend erfolgt die Fed-Batch-Fermentation in nährstoffreichen Medien in großen Tieftankfermentern, einschließlich nachgeschalteter Anlagen zur Gewinnung und Reinigung. Konzentration und Viskosität der Fermentationsbrühe werden kontinuierlich mittels Inline-Prozesssensoren, internen Modellreglern und automatisierten Systemen überwacht und reguliert, um die Ausbeute zu maximieren und Kontaminationen zu vermeiden.
Eigenschaften von Penicillium chrysogenum bei der Batch-Fermentation zur Penicillinproduktion
Penicillium chrysogenum, ein filamentöser Pilz, ist der bevorzugte Mikroorganismus für die industrielle Penicillinproduktion. Sein Verhalten während der Fermentation ist hochkomplex und beeinflusst direkt die Effizienz und Ausbeute des Endprodukts. Das Verständnis seiner Eigenschaften ist daher für eine effektive Prozesssteuerung unerlässlich.
Bei der Fermentation sind Viskosität und Konzentration eng miteinander verknüpft, und Änderungen des einen beeinflussen direkt den anderen. Diese Beziehung ist ein entscheidender Aspekt der Prozesssteuerung, da sie alles vom mikrobiellen Wachstum bis zur Produktausbeute beeinflusst.
Viskositätsänderungen
Die Viskosität einer Fermentationsbrühe ist ein Maß für ihren Fließwiderstand. Sie ist nicht konstant und ändert sich typischerweise im Laufe des Fermentationszyklus aufgrund verschiedener Faktoren:
Die Konzentration der Mikroorganismen steigt mit ihrem Wachstum und ihrer Vermehrung in der Biomasse. Allein ihre physische Anwesenheit erzeugt ein dichtes, verflochtenes Zellnetzwerk, wodurch die Viskosität der Fermentationsbrühe deutlich ansteigt.
Die Zelllyse erfolgt am Ende der Fermentation. Mikroorganismen können lysieren, wenn die Zellen Stress ausgesetzt sind, wodurch intrazelluläre Bestandteile wie DNA und Proteine freigesetzt werden. Diese großen Moleküle können die Viskosität der Nährlösung deutlich erhöhen.
Konzentrationsänderungen
Die Konzentration schwankt mit der Bakterienvermehrung, da die Zelldichte zu einer Überfüllung der Nährlösung und häufigeren Zellinteraktionen führt. Selbstverständlich hat die Ausgangskonzentration von Substraten wie Zucker und Nährstoffen einen deutlichen Einfluss auf das weitere Wachstum der Mikroorganismen.
Bei kontinuierlicher Fermentation reichern sich sezernierte Proteine und Polysaccharide an und tragen so zur Konzentrationserhöhung gelöster oder suspendierter Feststoffe bei.
Die Auswirkungen der Beziehung
Der enge Zusammenhang zwischen Viskosität und Konzentration hat weitreichende Folgen für den Fermentationsprozess. Ein Anstieg der Viskosität aufgrund erhöhter Konzentration kann:
Behinderung des Stoffaustauschs: Die hohe Viskosität erschwert den Übergang essentieller Gase wie Sauerstoff aus den Luftblasen in die Nährlösung und schränkt somit die Wachstumsfähigkeit der Mikroben ein.
Verringerte Mischleistung: Eine dickflüssigere Brühe erfordert mehr Energie zum effektiven Mischen. Dies kann zu Stagnationszonen führen, in denen Nährstoffe verbraucht werden und sich Abfallprodukte ansammeln. Dadurch entsteht ein ungleichmäßiges Milieu, das die Produktivität negativ beeinflusst.
Auswirkungen auf die nachgelagerte Verarbeitung: Hochviskose Brühen sind während der Produktgewinnungsphase schwieriger zu filtern, zu zentrifugieren und zu reinigen, was den gesamten Prozess weniger effizient und kostspieliger macht.
Daher ist die Echtzeitüberwachung von Viskosität und Konzentration entscheidend für die Aufrechterhaltung optimaler Bedingungen, die Sicherstellung einer gleichbleibenden Produktqualität und die Maximierung der Ausbeute.
Anwendungen der Inline-Viskositätsüberwachung
Das transformative Potenzial der Online-Überwachung im Fermentationsprozess zeigt sich besonders deutlich bei der Antibiotikaproduktion, beispielsweise bei Penicillin. Die Echtzeit-Viskositätsmessung ermöglicht es den Anwendern, das mikrobielle Wachstum und die Konsistenz der Nährlösung zu beurteilen und so die Zufuhr, Belüftung und Rührung präzise anzupassen.
Automatisierte Prozesstechnologien dienen als Frühwarnsystem vor potenziellen Anomalien, Verunreinigungen und Schaumbildung, um Produktionsunfälle zu verhindern. Darüber hinaus ermöglichen sie die Skalierbarkeit von Labor- zu industriellen Bioreaktoren.
Lonnmeter Inline-Viskositätsmesslösungen
Hauptfunktionen und technische Spezifikationen
Das Inline-Sanitärviskosimeter undPharmazeutisches DichtemessgerätSie sind für die Fermentationsüberwachung und Prozesssteuerung in pharmazeutischen Anwendungen konzipiert. Ihre spezielle mechanische Konstruktion reduziert die Wahrscheinlichkeit von Bakterienbefall, den Wartungsaufwand und sogar den Austausch.
DieseInline-AutomatisierungsinstrumenteEs ermöglicht die Echtzeitmessung von Viskosität und Dichte und gewährleistet so gleichbleibende Nährlösungsbedingungen in Bioreaktoren. Das hygienische Inline-Viskosimeter verfügt über einen Viskositätsbereich von 10–10.000.000 cP und ist bis 350 °C temperaturbeständig.
Ausgestattet mit hochentwickelten Vibrations- oder Resonanzsensoren liefern diese Instrumente präzise Messwerte unter dynamischen Bedingungen und lassen sich nahtlos in SPS- und DCS-Systeme zur automatisierten Steuerung integrieren, wodurch sie sich ideal für den Fermentationsprozess von Penicillin eignen.
Vorteile gegenüber traditionellen Offline-Methoden
Die Inline-Viskositätsmessgeräte von Lonnmeter übertreffen herkömmliche Offline-Methoden. Fortschrittliche Prozessautomatisierungstools ermöglichen sofortige Prozessanpassungen und eliminieren so Probenahmefehler.
Ihre Präzision im Umgang mit nicht-Newtonschen Nährlösungen übertrifft herkömmliche Analysegeräte, die bei komplexen Flüssigkeiten oft an ihre Grenzen stoßen. Das hygienische Design minimiert Kontaminationsrisiken, die insbesondere in pharmazeutischen Umgebungen von entscheidender Bedeutung sind, während die automatisierte Datenerfassung menschliche Fehler reduziert und so eine hohe Zuverlässigkeit für die Online-Überwachung des Fermentationsprozesses gewährleistet.
Vorteile der Automatisierung von Fermentationsprozessen
Die Lösungen von Lonnmeter revolutionieren die Automatisierung der kontinuierlichen Penicillinfermentation und bieten unübertroffene Vorteile. Sie gewährleisten eine gleichbleibende Viskosität der Fermentationsbrühe und führen so zu gleichmäßigen Penicillinausbeuten und hoher Reinheit.
Die automatisierte Viskositätsregelung reduziert Abfall, Energieverbrauch und Ausfallzeiten und führt so zu erheblichen Kosteneinsparungen. Echtzeitdaten ermöglichen die Feinabstimmung von Zufuhrraten, Belüftung und Rührung und optimieren dadurch die Prozesseffizienz.
Die entscheidende Bedeutung der Inline-Viskositätsüberwachung in der pharmazeutischen Fermentation, insbesondere bei der Penicillin-Fermentation, kann nicht hoch genug eingeschätzt werden. Optimieren Sie Ihre Fermentation – kontaktieren Sie Lonnmeter noch heute für ein individuelles Angebot unserer fortschrittlichen Viskositätsmesslösungen und erreichen Sie eine unübertroffene Produktionspräzision!
Veröffentlichungsdatum: 14. August 2025
