Beobachtung und Steuerung von biotechnisch interessanten Kristallisationsprozessen mit Hilfe der In-situ-Videomikroskopie (ISVM)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
ln dem Projektzeitraum wurde ein neuer ln-situ Mikroskopietyp (Typ 111 XTF) entwickelt. Erfolgreich konnte ein ln-situ-Videomikroskop aufgebaut werden, mit dem die im Messraum befindlichen Partikel über definierte Zeitabstände kontinuierlich beobachtet werden können. Die geeignete Auswertungssoftware zum Tracking dieser Partikel wurde entwickelt und ist im Bericht beschrieben. Das Gesamtsystem ist somit in der Lage nicht nur Einzelaufnahmen zu machen, sondern auch Partikel im Messraum in der Bewegung zu verfolgen, um so morphologische und geometrische Informationen zu gewinnen. Die Auswertesoftware "ln-situ Analysis" und die Steuerungssoftware "In-situ Control" wurden entwickelt und auf ihre Einsetzbarkeit getestet. Eines der Unterprogramme diente zum Erkennen von Kristallen und der grundlegenden Auswertung der Kristallgeometrie. Ein weiteres Arbeitspaket des Projektes umfasst die Entwicklung eines Reaktors für die Untersuchung von Kristallisationsprozessen mit Hilfe des In-situ Mikroskops. Dieser Reaktor wurde gebaut, charakterisiert. Er kann das In-situ Mikroskop aufnehmen. Während des Kristallisationsprozesses können ohne Probenahme Bilder über den Kristallisationsprozess gewonnen werden. Die Daten werden ausgewertet und der Kristallisationsprozess kann dann gezielt gesteuert werden (Temperatur, pH-Wert). An verschiedenen Modellsystemen (Ammoniumsulfat, Kaliumsulfat, Kaliumnitrat, Kaliumnatriumtartrat, Alanin, Glycin, Cystein, Taurin, Laktose, Lysozym) wurden detaillierte Untersuchungen über den Temperaturverlauf und pH-Verlauf in Bezug auf die Kristallisationsvorgänge gemacht. Besonders intensiv wurden die Kristallisationsprozesse von Aspirin und Paracetamol untersucht. Hier wurden Kristallgrößenverteilungen ermittelt. Das System kann auch zur Insulinkristallisation direkt an Bioprozessen eingesetzt werden. In einer engen Kooperation mit der TU Hamburg-Harburg wurde das System mit einer erweiterten Messzelle auch für die Beobachtung von heterogenen katalytischen Verfahren verwendet. Hier wurden auf Lewatitharzen immobilisierte Enzyme in wässrigen Systemen näher untersucht. Über einen Zeitraum von mehreren Tagen konnte die Stabilität der Lewatitpartikel genau überwacht werden, um nicht invasiv den Zustand des Gesamtsystems beobachten zu können. Die Levatitpartikel hatten einen Durchmesser von ca. 350 µm. Sie konnten mit der erweiterten Messkammer ohne Probleme detektiert werden. Die neu entwickelte Software "Particle Analyzer" ermöglicht es, die Zahl der Bruchstücke und der intakten Partikel kontinuierlich zu erfassen und somit den gesamten Prozess, beispielsweise in Abhängigkeit von der Rührergeschwindigkeit oder der Strömungsgeschwindigkeit oder des Strömungsverhaltens im Reaktor zu erfassen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2008). In-situ Video Microscopy for inline Monitoring of Crystallization Processes. 4th international Congress on Biocatalysis. 31.08 – 04.09., Hamburg
A. Bluma, T. Höpfner, P. Lindner, G. Rudolph, S. Beutel, B. Hitzmann, G. Martinez, R. Baumfalk and T. Scheper
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(2008). Inline Monitoring of Crystallization Processes with In-situ Video Microscopy. European BioPerspectives. 07.10. – 09.10.
A. Bluma, T. Höpfner, P. Lindner, G. Rudolph, S. Beutel, B. Hitzmann, G. Martinez, and T. Scheper
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Adaptation of in-situ microscopy for crystallization processes. Journal of crystal growth (2009) 311: 4193 – 4198
A. Bluma, T. Höpfner, G. Rudolph, P. Lindner, S. Beutel, B. Hitzmann, T. Scheper
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Adaption inline mikroskopischer Verfahren an die Überwachung und Charakterisierung biotechnologischer Kristallisationsprozesse, (2009). Dissertation: Leibniz Universität Hannover
Bluma A
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Optical Inline Measurement Procedures for Counting and Sizing Cells in Bioprocess Technology. In: Optical Sensor Systems in Biotechnology, (Rao G., ed) Advances in Biochemical Engineering – Biotechnology (2009) Vol. 116 125-142
Guido Rudolph, Patrick Lindner, Arne Bluma, Klaus Jöris, Geovanni Martinez, Bernd Hitzmann and Thomas Scheper
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A Review of non-invasive and optical-based image analysis systems for continuous bioprocess monitoring. Bioprocess and Biosystems Engineering (2010) 33:247 – 256
Tim Höpfner, Arne Bluma, Guido Rudolph, Patrick Lindner, Thomas Scheper
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Development of a flow-through microscopic mulittesting system for parallel monitoring of cell samples in biotechnological cultivation processes (2010). Journal of Biotechnology 150: 87-93
Christoph Rebock, Daniel Riechers, Tim Höpfner, Arne Bluma, Patrick Lindner, Bernd Hitzmann, Sascha Beutel und Thomas Scheper
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In-situ imaging sensors for bioprocess monitoring: state of the art (2010). Anal. Bioanal. Chem. 398: 2429-2438
Arne Bluma, Tim Höpfner, Patrick Lindner, Christoph Rebock, Sascha Beutel, Daniel Riechers, Bernd Hitzmann und Thomas Scheper
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Prozessanalytische In-situ-Sonden zur Inline-Charakterisierung dispergierter Partikel (2010). Chemie Ingenieur Technik 82 (4): 517-524
Arne Bluma, Tim Höpfner, Patrick Lindner, Christoph Rebock, Sascha Beutel und Thomas Scheper
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In-situ-Mikroskopie zur Online- Überwachung von Enzymträgern und Zweiphasenprozessen (2011). Chemie Ingenieur Technik 83 (5): 1-5
Andreas Prediger, Arne Bluma, Tim Höpfner, Patrick Lindner, Sascha Beutel, Jakob J. Müller, Lutz Hilterhaus, Anderas Liese und Thomas Scheper
