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Fermentation wird von der Pharma- und Lebensmittelindustrie auf vielfache Weise eingesetzt. Dabei wird ein identifizierter Mikroorganismus (hauptsächlich bakteriell) als Monokultur unter vorgegebenen Umweltbedingungen in einer Nährlösung kultiviert. Der anschließende Inkubationsvorgang dient dazu, die Produktivität des betreffenden Organismus zu maximieren, indem ihm optimale Bedingungen für das Populationswachstum (Biomasse) zu Verfügung gestellt werden. Das betreffende Produkt kann ein bioaktiver Metabolit oder ein rekombinantes Protein sein.
Während des Inkubationszyklus wird eine nährende Energiequelle (z. B. Glukose) hinzugefügt, und Biomasse und Endprodukt vermehren sich, während die Nährlösung abgebaut wird.
Für eine optimale Inkubation ist die Einhaltung einer Reihe von Parametern erforderlich. Von größter Wichtigkeit sind hierbei:
Temperatur, pH-Wert, DO2 oder Redox, Durchmischung, Druck, Schaumregelung, Nährmitteleinspeisung oder eine Kombination dieser Parameter.
Die Steuerung dieser und anderer Parameter erfolgt in der Regel in Fermentern, die speziell zu diesem Zweck konzipiert wurden und je nach Ertrags- und Produktionsanforderungen unterschiedliche Arbeitsvolumen aufnehmen können. Laborfermenter können eine Kapazität von nur 10 Litern oder weniger haben, während Produktionsfermenter u. U. mehrere Tausend Liter aufnehmen können.
Die kleinsten Geräte beinhalten ein elektrisches Heizelement, und die Nährlösungen (z. B. Nährstoffe und Mittel zur Kontrolle des pH-Werts) können über peristaltische Pumpen aus Flaschen eingespeist werden. Größere Fermenter verfügen über einen integrierten Schutzmantel, der die Temperatur durch heißes oder kaltes Wasser regelt, und ermöglichen indirekte Sterilisation durch Wasserdampfzufuhr. Wenn größere Mengen an Nährlösung benötigt werden, kann diese in separaten Druckbehältern aufbewahrt und mittels einer ’schubpumpenartigen‘ Ventilanordnung eingespeist werden.
Der tatsächliche Fermentationsprozess ist als Inkubationsphase bekannt und bildet nur einen Teil des Chargenzyklus. Ein kompletter Fermentationszyklus kann typischerweise folgende Schritte umfassen (je nach Fermenterdesign):
Die Umgebungen für F&E und klinische Versuche, in denen viele kleine Fermenter betrieben werden, sind derart, dass die Beschaffenheit eines bestimmten Fermentationsprozesses weder hinsichtlich der Kultur noch in Bezug auf die Inkubationsbedingungen vorausgesagt werden kann. Außerdem müssen viele Produktionseinrichtungen für eine Vielfalt von Produkten Sorge tragen, die alle genau definierte Inkubationsprofile haben.
Ein Regelungssystem muss daher in der Lage sein, Flexibilität auf eine Art zu bieten, in der eine akkurate und wiederholbare Fermentationsumgebung erzielt wird und welches die folgenden Merkmale aufweist:
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