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Der Prozess der Fermentation wird seit Jahrtausenden zur Konservierung von Lebensmitteln, zur Herstellung alkoholischer Getränke und zur Verbesserung des Nährstoffgehalts und der Bioverfügbarkeit bestimmter Lebensmittel eingesetzt. Technologischer Fortschritt und gesellschaftlicher Wandel haben die Relevanz fermentativer Verfahren für alternative Proteinquellen zusätzlich gesteigert. Der Grund dafür liegt auf der Hand, denn fermentative Ansätze ermöglichen vergleichsweise kostengünstigere und flexiblere Proteinquellen. Man unterscheidet zwischen traditioneller Fermentation, Biomassefermentation und Präzisionsfermentation, deren Verfahren alle auf der Aktivität spezifischer Mikroorganismen wie Pilze, Hefen oder Bakterien basieren. Die traditionelle Fermentation wird bei der Herstellung von alkoholischen Getränken – wie Bier und Wein – aber auch in der Milchwirtschaft bei der Produktion von Käse und Joghurt eingesetzt.
Biomassefermentation dient der Produktion großer Mengen an Zellen, während Präzisionsfermentation auf gentechnisch veränderte Mikroorganismen setzt, um spezielle Proteine beispielsweise für Nahrungsergänzungsmittel, Farbstoffe, Aromen, Vitamine oder Fette zu produzieren. Darüber hinaus bietet ein ganzheitlicher Ansatz zur Herstellung von Proteinen durch Fermentation die Möglichkeit, sowohl den Geschmack, die Textur als auch die Verdaulichkeit zukünftiger, alternativer Lebensmittel zu verbessern. Ein Beispiel hierfür ist der Einsatz von präzisionsfermentierten Enzymen oder die herkömmliche Fermentation neuartiger Proteine zum teilweisen Abbau komplexer Proteine oder unlöslicher Kohlenhydratkomplexe, um hybride alternative Proteinprodukte zu erhalten. Auf diese Weise können unter anderem Milchprodukte, Eiprodukte, diätetische Lebensmittel und Nahrungsergänzungsmittel sowie Säuglingsnahrung hergestellt werden.
Die Wahl der richtigen Technologie
Fermentationsprozesse zur Herstellung alternativer Protein, wie zum Beispiel kultiviertes Fleisch oder Fleisch auf pflanzlicher Basis, sind methodisch ausgereift. Teilindustrien der Fermentation, einschließlich der Präzisionsfermentation, sind Schlüsselindustrien für die Produktion großer Mengen spezifischer Proteine für die zukünftige Ernährung. Sie haben das Potenzial, größere Mengen einzelner Proteine zu erzeugen, als dies mit anderen Produktionsmethoden möglich ist. Skalierbarkeit und Kapazität waren bisher die größten Hindernisse für den Erfolg und die Kostentreiber der Industrie. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, ist die Integration kosteneffizienter Produktionsmethoden und -werkzeuge von entscheidender Bedeutung. Die Wahl passender Sensorik zur Erfassung kritischer Prozessparameter spielt hierbei eine zentrale Rolle. Die technologische Entwicklung im Bereich der alternativen Proteine wird durch das bereits vorhandene Wissen aus der Fermentation und aus verwandten Industrien vorangetrieben. Ein Ansatz ist die Implementierung von Prozessanalytiktechnologien (PAT) zur Messung von Parametern wie Zelldichte, ORP, CO2, DO und pH. Die entsprechenden Sensoren liefern während des Fermentationsprozesses genaue und zuverlässige Echtzeitdaten. Ziel ist es, den Ertrag zu erhöhen und gleichzeitig konsequent gute Produkteigenschaften zu erreichen.
Überwachung wichtiger Prozessparameter
Durch die stringente Überwachung von KPIs wie Zelldichte und den kritischen Prozessparametern CO2, pH-Wert, Sauerstoffverfügbarkeit und Nährstoffkonzentration ermöglichen die Sensoren eine präzise Steuerung des Fermentationsprozesses. Dieser datengestützte Ansatz verbessert die Qualität des Endprodukts und stellt sicher, dass es den Industriestandards entspricht. In Fermentationsprozessen wird eine große Anzahl von Zellen kultiviert, die entweder zur Herstellung anderer Produkte (Proteine, Fette und deren Derivate) oder als Inhaltsstoffe in Produkten verwendet werden. Die Kontrolle des Zellwachstums während der Produktion ist daher unerlässlich.
Genau hier sind die im PAT-Framework vorgesehenen Prozesssensoren der Schlüssel zum Erfolg, denn sie ermöglichen Einblicke in den Prozess und ermöglichen ein optimiertes Zellwachstum und eine verbesserte Zellproliferation während der Produktion. Mit Hilfe von Sensoren werden in Echtzeit genaue und zuverlässige Daten über kritische Parameter während der Fermentation gewonnen. Diese wertvollen Einblicke in den Produktionsprozess ermöglichen es, proaktiv auf Abweichungen zu reagieren, wichtige Parameter zugunsten einer verbesserten Produktivität und Kosteneffizienz zu verbessern und somit das Risiko von Produktfehlern oder Ausschuss-Chargen zu minimieren. Das kontinuierliche Feedback der Sensoren ermöglicht schnelle Anpassungen und Verbesserungen, die zu höheren Erträgen, niedrigeren Produktionskosten und einer verbesserten Effizienz des gesamten Prozesses führen.
Hamilton Process Analytics ist Hersteller einer breiten Palette von Inline-Prozesssensoren, die direkt im Prozess eingesetzt werden, kontinuierlich Messergebnisse liefern und so eine automatisierte Steuerung innerhalb des Prozessaufbaus ermöglichen. Das Produktportfolio umfasst verschiedenste Inline-Sensorlösungen, wie beispielsweise den Dencytee Arc-Sensor zur Messung der Gesamtzelldichte. Dieser wird bevorzugt während des kontinuierlichen Fermentationsprozesses beziehungsweise der gesamten Produktion als Indikator für den Prozesserfolg eingesetzt.
Indikator für die Stoffwechselaktivität
Neben der Bestimmung der Gesamtzelldichte mittels Dencytee Arc können auch Indikatoren für Stoffwechselaktivität Aufschluss über das Wachstum bestimmter Zelllinien geben. Dazu gehört beispielsweise das Redoxpotential im Bioreaktor, das Einblicke in den Verlauf von Fermentationsprozessen ermöglicht. Dabei wird zwischen anaeroben und aeroben Atmungsprozessen unterschieden, die für die Lebensfähigkeit der Zellen während der Fermentation und für die Verhinderung des oxidativen Abbaus von Fermentationsprodukten unerlässlich sind. Je nach verwendeter Zelllinie kann das Redoxpotential Aufschluss über die gewünschten Stoffwechselvorgänge geben und den Herstellern bei der Prozessoptimierung helfen. Hersteller können unerwünschte Verschiebungen durch Zugabe von Redoxmitteln wie Atmungssubstraten (zum Beispiel Glucose, Glycerin oder Pyruvat) oder durch Regulierung des Gasaustauschs aktiv bekämpfen.
Darüber hinaus kann eine Kombination von Sensoren zur Überwachung des gelösten Kohlendioxids (DCO2) und des gelösten Sauerstoffs (DO) Aufschluss über den Respirationsquotienten und die Fraktionierung der Kohlenstoffquelle in Bioprozessen geben, wenn neben der Kontrolle der Gaspenetration, der Mischungsraten und der Zusammensetzung des Inertgases eine ausreichende Bioverfügbarkeit und ein ausreichender Gasaustausch in jeder Phase (von F&E bis zur kommerziellen Nutzung) und in jedem Umfang (vom Laborgerät bis zum Produktionsmaßstab) gewährleistet sind. Dies ist der Schlüssel zur Aufrechterhaltung gesunder Zellkulturen.
Ein zu niedriger Gehalt an gelöstem Sauerstoff kann sich negativ auf das Zellwachstum auswirken und zu geringer Biomasse führen, während hohe Konzentrationen an gelöstem Sauerstoff zur Oxidation von Bioprodukten führen können. CO2 kann im Labormaßstab aufgrund des geringeren Oberflächen-/ Flüssigkeitsverhältnisses leichter entnommen werden. In großen Bioreaktoren ist das Verhältnis von Flüssigkeitsoberfläche zu Volumen jedoch geringer, sodass andere Strategien zur Korrektur des CO2-Gehalts erforderlich sind. Ohne eine an den großen Maßstab angepasste Strategie neigt CO2 dazu, sich insbesondere am Boden des Bioreaktors anzusammeln. Die Sicherstellung eines optimalen pH-Werts für die spezifischen Zelllinien und den Fermentationsprozess trägt ebenfalls zum Erfolg des Prozesses bei und ist ein ergänzender Parameter für ORP- und CO2-Messungen.
Inline-Sensorlösungen
Die Integration von Sensoren, die Parameter direkt messen, ermöglichen eine automatisierte Steuerung und Regelung innerhalb vorgegebener Sollwerte, da die Prozesse kontinuierlich gemessen werden. So erfolgen Informationen hinsichtlich Abweichungen von den definierten Idealbedingungen in Echtzeit, was insbesondere für kontinuierliche Fermentationsverfahren wie beispielsweise bei Perfusionskulturen wichtig ist. Aufgrund der automatisierten Kontrollprozesse werden nicht nur die Produktionskosten gesenkt, sondern auch die Effizienz der Prozesse verbessert. Langfristig betrachtet kann sogar die Zeit bis zur Markteinführung verkürzt werden. Die kontinuierliche Messung ermöglicht zudem die Kompensation von Sensorabweichungen und führt dazu, die Prozesse im Laufe der Zeit noch besser zu verstehen.
Hamilton verfügt über Erfahrung in biotechnologischen Anwendungen für die Proteinproduktion und Fermentationsanwendungen im kommerziellen Maßstab, wie für die Lebensmittel- und Getränkeindustrie. Dank dieser Erfahrungen kennt das Unternehmen die Anforderungen des Marktes und bietet eine umfassende Sensorpalette zur Messung der wichtigsten Parameter an. So wird nicht nur ein optimales Zellwachstum, sondern daraus resultierend ein qualitativ hochwertiges Endprodukt ermöglicht.
