Messtechniken zur Überwachung und Steuerung von Bioprozessen

Die HSBR-Technologie ermöglicht die unsterile, quasikontinuierliche Prozessführung, eine Verkürzung der Fermentationsdauer durch einen Biomasserückhalt von ca. 90% und einen kontinuierlicher Produktaustrag durch Gasstrippen. Dadurch wurde eine im Vergleich zu bisherigen Anlagen deutlich höheren Raum-Zeit-Ausbeute erreicht.

Die Forschungsarbeiten des Instituts für Bioprozess- und Analysenmesstechnik in Heilbad Heiligenstadt (iba) zur Fermentations- und Messtechnik konzentrierten sich neben dem Aufbau eines 10-Liter-Schlaufenreaktors auf die Entwicklung und Optimierung der Messtechnik für die prozessangepasste Fermentationssteuerung.

Dabei entstand innovatives Multisensorsystem für die Bestimmung unterschiedlicher Fermentationsparameter. Ein Gassensor bestimmt den Kohlendioxidgehalt in der Prozessluft. Darauf aufbauend wurde eine automatische Steuerung realisiert, die prozessangepasst einen neuen Zyklus startet, sobald das Substrat aus dem aktuellen Zyklus verbraucht ist.

Dadurch konnte die Produktivität des Verfahrens von ursprünglich ca. vier Gramm Bioethanol pro Liter und Stunde auf über acht Gramm Bioethanol pro Liter und Stunde mehr als verdoppelt werden. Gleichzeitig verkürzte sich die lag-Phase, so dass zuletzt bis zu drei Zyklen pro Tag gefahren werden konnten. Im Vergleich zu Literaturwerten (zwei bis drei Gramm Bioethanol pro Liter und Stunde) bedeutet dies eine Verdreifachung der Produktivität.

Weiterhin wurden neue innovative Online-Prozessmesstechniken auf Basis der dielektrischen Spektroskopie angewendet. Einige können berührungslos und nichtinvasiv den Fermentationsprozess verfolgen. Sie lassen sich an andere Bioprozesse und Bioreaktoren anpassen. Ein UWB-Mikrowellenmesssystem (UWB: Ultrabreitband) und ein Mikrowellen-TS-Sensor (TS: Trockensubstanz) mit einer Patch-Antenne am Boden und einer Koaxialsonde im Messfenster dienten zur Online-Bestimmung der Zellmasse und fester Medienbestandteile sowie der Hefesedimentation durch Messung der Dielektrizitätswerte im GHz-Bereich (Hochfrequenzsensorik).

Eine Koaxialsonde ermittelte die Ethanolkonzentration im Kondensat. Ein Impedanzspektrometer (IMPSPEC, Fa. MEODAT) mit einem Multiplexer und einem Elektrodenarray diente zur Bestimmung der Biomassekonzentration durch Messung der Dielektrizitätswerte im MHz-Bereich und der Sedimentationskinetik der sedimentierenden Hefezellen.

Aus den Datensätzen der Prozesskennwerte der Zyklen und der dielektrischen Spektroskopie erfolgte eine Merkmalsextraktion für den Entwurf multivarianter Regressionsmodelle auf Basis von statistischen und numerischen Methoden. Diese kann für den nächsten Schritt der Maßstabsvergrößerung genutzt werden. Mit Abschluss des Projektes steht jetzt eine Musteranlage zur weiteren Testung und Maßstabsvergrößerung zur Verfügung.

Der Projektpartner Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme, IKTS Hermsdorf, konzentrierte sich im Rahmen des Projekts auf den Einsatz von Zeolithmembranen zur Anreicherung von Ethanol aus Fermentationsbrühen. Der Industriepartner INNOVAS Innovative Energie- und Umwelttechnik GbR, München, erarbeitete die anwendungspezifischen und verfahrenstechnischen Anforderungen und begleitete die Verfahrensentwicklung.

Das Forschungsprojekt wurde vom Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz / Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe gefördert (FKZ: 22006308).