Individuelle Gasregelsysteme – anschlussfertig und zertifiziert

Reproduzierbare Prozesse für die Fermentation

Bei Fermentationsprozessen ist die präzise Regelung der Gasmengen entscheidend für die Qualität des Produkts. Nur wenn Bakterien oder andere biologische Materialien die richtige Nahrung bekommen, können sie gedeihen. Die Gasmengen müssen dabei dem Bedarf der sich stetig vermehrenden Kulturen angepasst werden. Diesen Prozess gilt es, präzise und reproduzierbar zu steuern. Die Daten zur Gasdosierung sollten zudem reproduzierbar und jederzeit abrufbar sein sowie sich dokumentieren lassen. Massendurchflussregler (MFCs), die auf mehrere unterschiedliche Gase kalibrierbar sind, erschließen hier interessante Möglichkeiten. Sie lassen sich mit allen notwendigen Komponenten zu anschlussfertigen Gasregelsystemen (Gasbox) kombinieren und sind dann als Komplettsysteme – ausgestattet mit sämtlichen für die jeweilige Applikation erforderlichen Zertifikaten – einfach in die Fermenter integrierbar.

Die Unternehmensgruppe ZETA mit Stammsitz in Österreich in der Nähe von Graz (vgl. Firmenkasten 1) gilt als Spezialist für maßgeschneiderte Prozess- und Verfahrenslösungen für Fermentationsanlagen. Der Technologielieferant der biotechnologischen und pharmazeutischen Industrie konzipiert, fertigt, installiert und digitalisiert kundenspezifische Lösungen für renommierte Unternehmen auf der ganzen Welt. Ein Beispiel dafür sind flexibel einsetzbare Fermenter, die sich dank unterschiedlicher Begasungsprozesse für viele Anwendungen einsetzen lassen (Bild 1). Die Reproduzierbarkeit der einzelnen Fermentationsprozesse wird dabei durch an die Applikation angepasste Automationslösungen, standardisierte CIP/SIP-Läufe sowie definierte Regelstrategien garantiert.

Vom Einzelkämpfer zum individuellen Gasregelsystem

Für die Regelung der für die Fermentation benötigten Gase wie Luft, Sauerstoff, Stickstoff oder Kohlendioxid setzt ZETA mittlerweile die Massendurchflussregler (MFCs) des Fluidikspezialisten Bürkert Fluid Control Systems (vgl. Firmenkasten 2) ein. Für diese Wahl sprachen gleich mehrere Gründe: Die MFCs (Bild 2) sind als kompakte Geräte aufgebaut und bestehen aus den Komponenten Durchflusssensor und Regelelektronik sowie aus einem Proportionalventil als Stellglied. Der direkt im Gasstrom befindliche, thermische MEMS-Sensor erreicht sehr schnelle Reaktionszeiten und eine hohe Messgenauigkeit bei langzeitstabiler Kalibrierung. Damit gewährleisten die Geräte eine sehr feinfühlige und präzise Regelung unabhängig von Störgrößen wie Druckschwankungen oder temporär auftretenden Strömungswiderständen. Alle medienberührenden Teile bestehen aus Edelstahl und die MFCs sind konform zu USP Class VI, 21CFR177 und lieferbar mit Zeugnis 3.1 nach DIN EN 10204. Hinzu kamen aber noch weitere Argumente.

An den Fermentern sind die Massendurchflussregler keine Einzelkämpfer. Sie lassen sich auf bis zu vier unterschiedliche Gase kalibrieren, die dann dem Prozess je nach Bedarf zur Verfügung gestellt werden. Dafür werden nach jedem MFC drei Magnetventile positioniert, um die unterschiedlichen Gase an die gewünschten Anschlusspunkte am Fermenter zu leiten. Somit ist eine maximale Flexibilität in der Gasversorgung des jeweiligen Organismus gegeben. Die Gasversorgung kann über die Rezeptierung dynamisch den jeweiligen Prozessanforderungen angepasst werden. „Ganz wichtig war für uns, ein hochflexibles und gleichzeitig kompaktes Gassystem zu erhalten, das zudem alle aktuellen Anforderungen an die Zertifizierung der medienberührenden Materialen erfüllt. Das sind insbesondere die Magnetventile, die neben dem 3.1 Zeugnis auch nach USP Class VI und 21CFR177 zertifiziert sind sowie der Ventilblock“, erinnert sich Florian Stolka, Senior Project Engineer bei ZETA. „Mit Bürkert fanden wir einen kompetenten Partner für die Entwicklung dieser Gasbox. In enger, kollegialer Zusammenarbeit entstand ein anschlussfertiges, komplettes Gasregelsystem, das genau auf unsere Anforderungen abgestimmt ist und nur etwa halb so viel Einbauplatz benötigt wie frühere Lösungen.“ Ein weiterer Vorteil ist der einfache Beschaffungsprozess des kompletten Gasboxsystems bei einem Lieferanten. Man erhält die vollständige Systemdokumentation inklusive aller Zertifikate aus einer Hand.

Alles aus einer Hand: Komponenten, Schaltschrankbau und Engineering

Das Gasregelsystem, das in einem von vorne zugänglichen Gehäuse untergebracht ist, besteht je nach Einsatzbereich und geforderten Gasflüssen aus vier bis sechs Massendurchflussreglern mit je drei entsprechend zertifizierten Magnetventilen für die unterschiedlichen Gase sowie den benötigten Rückschlagventilen (Bild 3). Um den unterschiedlichen Anwendungen gerecht zu werden und unnötige Kosten zu vermeiden, wird das individuelle Gasregelsystem zudem in zwei unterschiedlich hohen Zertifizierungsstufen geliefert. Für Fermenter, die in Forschungslaboren eingesetzt sind, gelten niedrigere Anforderungen als für Fermenter in Produktionsanlagen der pharmazeutischen oder biochemischen Industrie. Dort müssen auch die Gasstrecken höchsten Anforderungen genügen, was die Biokompatibilität der eingesetzten Materialien und medienberührenden Komponenten anbelangt. „Für uns hat sich die Zusammenarbeit gelohnt“, freut sich Stolka. „Durch die Komplettlösung aus einer Hand ist unser Beschaffungsaufwand deutlich gesunken und wir können uns auf unsere Kernkompetenzen konzentrieren.“ Vor Ort müssen die Anlagenbauer nur noch Strom- und Medienversorgung anschließen.

Alles in allem verlief die Entwicklung der individuellen Gasregelsysteme für die Fermenter reibungslos. Wie bei jedem Prozess, gab es jedoch die ein oder andere Herausforderung zu bewältigen. „Auch hier haben die Fluidikexperten kompetent und zu unserer vollen Zufriedenheit reagiert“, erinnert sich Sebastian Wagner, Project Engineer bei ZETA. So wurde das auf CANopen basierende Bürkert-eigene Bussystem an die Steuerung der Fermenter angepasst. Die MFCs kommunizieren jetzt über Profinet mit der übergeordneten Steuerung.

Auch die eingesetzten Rückschlagventile wurden für den Einsatz in Gasregelsystemen modifiziert, denn im Betrieb stellte sich heraus, dass diese Ventile an den Massendurchflussreglern Schwingungen verursachten, was die Regelgüte beeinträchtigte. Die Fluidikexperten fanden schnell eine Lösung: Die Feder der Rückschlagventile wurde entfernt, die Funktion blieb erhalten und die Ursache für die Schwingungen war beseitigt.

Weitere Informationen zum Thema finden Sie unter: https://www.buerkert.de/de/Produkte-Applikationen/Individuelle-Loesungen/Anwendungsbeispiele/Fermentation-Gase-praezise-steuern-fuer-reproduzierbare-Prozesse