BioSpeckle: Entwicklung eines laseroptischen Sensorsystems zur nichtinvasiven Biomassebestimmung in biotechnologischen Prozessen

Moderne biotechnologische Produktionsprozesse, als Alternative zu konventionellen Verfahren, zur Herstellung von Wirk- und Zusatzstoffen für z. B. die Pharma-, Kosmetik oder Lebensmittelindustrie unter Verwendung pflanzlicher Zell- und Gewebekulturen (z. B. Hairy roots) und heterogener Mikroorganismen (z. B. filamentöse Pilze und Makroalgen) rücken vermehrt in den Fokus der Forschung und Entwicklung.

Blasensäule/Bioreaktor mit roten Hairy roots (beta vulgaris) — Hairy roots (Beta vulgaris) in einer Blasensäule

Am Institut für Lebensmittel- und Bioverfahrenstechnik der TU Dresden befassen sich mehrere aktuelle Forschungsarbeiten beispielsweise mit der Entwicklung von wirtschaftlichen Produktionsprozessen für pflanzliche Sekundärmetabolite (pharmazeutisch- und ernährungsphysiologisch hochwirksame Substanzen) mit Hairy root Kulturen oder der Feststofffermentation von Weißfäulepilzen zur Gewinnung von Enzymen.

Eine wirtschaftliche Führung der Kultivierung von biotechnologischen Prozessen zur Wirkstoffgewinnung, sowie deren Auslegung und Optimierung, erfordert Kenntnisse über kinetische Modelle des Fermentationverlaufs. Von besonderem Interesse ist dabei die Bestimmung der Biomasse zur Ermittlung der Wachstumskinetik.

Die direkte Quantifizierung der Biomasse die eine homogene Verteilung voraussetzen ist mit den filamentösen, netzwerkartigen Biomassestrukturen, wie denen der Hairy Roots, der Pilze oder der Makroalgen nicht möglich. Indirekte Messungen hingegen, wie die Impendanzspektroskopie sind sehr zeitintensiv und aufwändig. Der Verlauf des Biomassewachstums lässt sich mit den vorhandenen Methoden nicht hinreichend genau beobachten. Um den Optimierungszeitraum zu verkürzen ist eine quantitative und bevorzugt direkte Messmethode zur Bestimmung der aktuellen Biomassekonzentration notwendig.

Gesamtziel des geplanten Verbundvorhabens ist die Entwicklung eines vollautomatischen, nichtinvasiven Sensors für die Bestimmung der Biomassekonzentration sowie unterschiedlicher Morphologieparameter in heterogenen biotechnologischen Systemen. Dabei soll die am IKTS entwickelte Methode der Laser-Speckle-Photometrie (LSP) zur Anwendung kommen und die mit dieser Methode aufgenommenen Daten als Berechnungsgrundlage für die Biomassekonzentration im Reaktorvolumen angenommen werden. Die zeitaufgelöste LSP ist ein neues Verfahren, das auf der Auswertung der zeitlichen Veränderung von Speckle-Mustern basiert.