dCO2Sensor

Problemstellung

Bei der Kultivierung von Mikroalgen ist die Konzentration an gelöstem CO2 (dCO2) eine wichtige Einflussgröße zur Prozessführung. So kann es zu Einschränkungen des Zellwachstums bis hin zur drastischen Abnahme der Lebensfähigkeit der Zellen kommen, wenn die dCO2-Konzentration außerhalb des optimalen physiologischen Bereichs liegt. Da CO2 an Stoffwechselvorgängen der Zellen ebenso beteiligt ist wie bei der Pufferung des Mediums, ist eine CO2-Kontrolle in der Gasphase ebenso ungenügend wie die Korrelation des im Medium gemessenen pH-Wertes mit dem Gehalt an gelöstem CO2. Die Online-Bestimmung des dCO2-Gehalts gilt neben dem pH-Wert und dem Gehalt an physikalisch gelöstem Sauerstoff (dO2) als entscheidender chemischer Parameter für eine zuverlässige Prozesssteuerung.

Um ein stabiles und repräsentatives Messergebnis des dCO2-Wertes zu erhalten, ist ein Bewuchs der Inline-Sensoren mit Mikroorganismen unbedingt zu vermeiden, was eine entsprechende Antifouling-Eigenschaft der Sensormembran voraussetzt. Daneben stellen bei den aufgeführten Applikationen die Sterilisierbarkeit des Sensors und ein vergrößerter dynamischer Messbereich absolut notwendige Anforderungen an einen dCO2-Sensor dar. In Ermangelung eines diesen Anforderungen genügenden Inline-Sensors für die Messung von gelöstem CO2 und unter Berücksichtigung der umfangreichen und zunehmend wichtigeren Anwendungsgebiete stellt die Entwicklung eines solchen dCO2-Sensors für verfahrenstechnische Fertigungsprozesse eine große Notwendigkeit dar.

Projektziele

Es ist das Ziel von dCO2Sensor, die Prozesssteuerung in Fermentationen und Mikroalgenkultivierungen mit Hilfe einer neuen Inline-Sensorik für die Konzentration an gelöstem CO2 grundsätzlich zu verbessern. Der dCO2-Sensor weist einen erweiterten Messbereich (0,02-20 mmol CO2), eine hohe Stabilität, kurze Ansprechzeiten (t90 < 2 min), Sterilisierbarkeit und GMP-Fähigkeit auf. Die Entwicklung einer hoch selektiven bioziden Sensormembran verhindert den Bewuchs durch Zellen, was wiederum der Sensormessgenauigkeit zugute kommt. Rechnergestützte Modelle, die die dCO2-Messung integrieren, dienen zur Entwicklung optimierter Steuerungsstrategien für Kultivierungen in Photobioreaktoren.

Vorgehensweise

Ausgehend von dem Kern-Know-how in der elektrochemischen Analytik und besonders der pH-Wertmessung wird zunächst eine sterilisier- und autoklavierbare Mikro-dCO2-Elektrode entwickelt. Durch Variation des Innenelektrolyten soll die Bestimmung auch höherer dCO2-Gehalte möglich werden. Die Elektrode wird in einen Stahlschaft mit Steckkopf und digitaler Auswerteelektronik integriert und mit einer CO2-permeablen Membran und einem ausgewählten Elektrolyten zu einem dCO2-Sensor komplettiert. Biozide Sensormembranen, die eine nachhaltige antimikrobielle Wirkung besitzen, keine Biozide freisetzen und die für die Messung entscheidenden Parameter der Membran, z.B. die CO2-Permeabilität, nicht verschlechtern, werden hergestellt.

Unter Nutzung des neuartigen dCO2-Sensorsystems wird ein adäquates Simulations-/ Prognoseverfahren für die technisch bedeutsame Kultivierung von Mikroalgen so erstellt bzw. so optimiert, dass eine prädiktive, modellgestützte Steuerung insbesondere für die CO2-Versorgung ermöglicht wird. Damit wird der CO2-Eintrag erstmals regelungstechnisch an die wechselnden Wachstums-Verhältnisse angepasst. Gleichzeitig werden in Auswertung der Kultivierungen und der damit verbundenen Simulationsberechnungen Verbesserungen im
Hinblick auf die konstruktive Anlagenauslegung eingeführt.

Ergebnisse und Anwendungspotenzial

Als Ergebnis von dCO2Sensor wird es möglich sein, photobiotechnologische Prozesse mit der entwickelten dCO2-Sensorik besser zu regeln und damit zu einer effizienteren Mikroalgenproduktion zu gelangen. Dadurch können Kosteneinsparungen dank einer effizienteren Prozessführung erzielt werden. Die dCO2-Sensorik und die Einheit zur Prozesssteuerung werden bis zum Status eines funktionierenden Demonstrators an verschiedenen Photobioreaktoren entwickelt. Weitere Anwendungsbereiche für diese Technologie sind u.a. die Lebensmittelbranche und die rote Biotechnologie.
Das erworbene Know-how für die Herstellung von druckstabilen und autoklavierbaren Polymermembranen eröffnet neue Absatzchancen in einem bisher nicht zugänglichen Markt der Sensorik und Gasseparation.