Multisensor zur Optimierung von Bioprozessen

Am Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme in Duisburg ist es Wissenschaftlern gelungen, ein miniaturisiertes Multisensor-System zur In-situ-Überwachung von Bioprozessen auf einem Siliziumchip zu integrieren. Das System kombiniert Sensoren für Glukose, Laktat, Zelldichte und pH-Wert auf einer Chipfläche von nur 7 x 7 mm. Hierdurch ist erstmals die parallele Messung dieser vier Prozessgrößen in-situ, also direkt im Bioreaktor, mit besonders großen Messbereichen für Glukose und Laktat möglich. Gegenüber den bisher in der Biotechnologie üblichen Einzelsensoren hat der Sensorchip einen deutlich geringeren Platzbedarf, benötigt keine aufwendige Probennahme aus dem Reaktor, ist einfacher und kostengünstiger zu verwenden und leichter zu sterilisieren. Die Sensoren können auf CMOS-Chips hergestellt und auf diese Weise mit Schaltungen zur Auslesung und Übertragung der Messwerte kombiniert werden.

Durch die Echtzeitmessung relevanter Prozessparameter hat das entwickelte System das Potential, eine große Bandbreite biotechnologischer Produkte effizienter herzustellen, die Produktsicherheit zu erhöhen und die Herstellung z.B. neuer Medikamente zu unterstützen. Die großen Messbereiche für Glukose (1 bis 600 mM) und Laktat (1 bis 900 mM), die ohne Verdünnung oder sonstige Vorbehandlung der Proben erzielt werden, übertreffen hierbei deutlich andere am Markt erhältliche Lösungen. Anwendungen des Systems reichen von Fermentationsprozessen zur Herstellung von Alkohol über die Produktion von Antikörpern, Insulin oder Impfstoffen bis hin zu Zellkulturen zur Züchtung von Gewebe. Gerade komplexe Prozesse, in denen viele Parameter optimal eingestellt und überwacht werden müssen, können von der Entwicklung des Fraunhofer IMS profitieren. Stefan Mross, Forscher im Geschäftsfeld Biohybride Systeme, verweist auf die Vorteile des Multi-Sensor-Systems: „In biotechnologischen Produktionsprozessen kann eine kontinuierliche Messung relevanter Prozessparameter den Automatisierungsgrad, die Prozessausbeute und Qualität entscheidend steigern.“

Zur Auslesung und Übertragung der Messwerte werden am Fraunhofer IMS integrierte Schaltungen entwickelt. So steht für die Auslesung der Glukose- und Laktatsensoren ein neu entwickelter Potentiostat zur Verfügung, der die Messwerte nicht nur erfasst, sondern über einen Transponderchip auch per Funk an eine Empfangsstelle senden kann. Der kabellose Betrieb vereinfacht den Einsatz in biotechnologischen Anlagen, bietet aber auch interessante Möglichkeiten für andere Branchen wie Medizintechnik und Sportmedizin, in denen es auf mobile, flexible Sensorik ankommt.

Das Fraunhofer IMS bietet kundenspezifische Lösungen an: So kann das System an Kundenanforderungen angepasst werden, weitere Sensoren lassen sich integrieren oder die Ausleseschaltungen können separat angeboten oder weiterentwickelt werden. Daher richtet sich das Angebot neben Herstellern in der Biomedizin auch an Sensorhersteller, Anwender von Bioreaktoren und die Lebensmittel- sowie Chemiebranche.