Sens-o-Spheres: Mobile Kugeln als Messvorrichtung

23.10.2017

Das Fraunhofer ENAS hat in Kooperation mit mehreren Partnern eine neuartige Messvorrichtung für die Bioverfahrenstechnik entwickelt. Anstelle herkömmlicher Stabsonden setzt man bei den Sens-o-Spheres auf die Kugelform. Dadurch werden viele technische Probleme bisheriger Messsysteme gelöst.

© Technische Universität Dresden

Demonstrator der Sens-o-Spheres: Zu sehen sind das Ladegerät, die Basisstation, die Sensorkugeln in einer Petrischale und ein Handapparat, um die Sphären steril zu applizieren.

© Technische Universität Dresden / Fraunhofer ENAS

Die vom BMBF geförderte Entwicklung der Sens-o-Spheres zur neuartigen Messung in Bioreaktorsystemen.

Prozessüberwachung in Bioreaktoren

Bioreaktoren sind essentiell für die Herstellung pharmazeutischer Produkte, die Enzymgewinnung aus nachwachsenden Rohstoffen und andere Bioverfahren. Um die Effizienz dieser Prozesse zu gewährleisten, bedarf es einer steten und genauen Überwachung.

Innovative Sensorkugeln

Die Sens-o-Spheres sind etwa erbsengroße Sensorkugeln. Gleich mehrere davon werden gleichzeitig in den Reaktor eingeführt und ermöglichen so eine Messauflösung über das gesamte Probenvolumen. Durch den extrem geringen Durchmesser von nur 7,9 mm und eine spezielle Kapselung kann der minimalinvasive Einsatz gewährleistet werden. Ferner machen innovative Bioreaktoren für neue biotechnologische Produktionsprozesse den Einbau gängiger Sondensysteme durch ihre Bauart oder durch ihre Ausmaße oft unmöglich oder weisen konstruktiv bedingte Inhomogenitäten auf.

Während des Prozessablaufes senden die Sphären per Funk kontinuierlich Messdaten an eine externe Basisstation, welche in Echtzeit die Daten auswertet und als Messsignal für eine Regelstrecke bereitstellt. Durch die Anpassung der Dichte auf typische Prozessmedien sind die Kugeln in der Lage, sich frei zu bewegen. Für einen völlig autarken Betrieb wird Elektronik über einen Mini-Akkumulator mit Energie versorgt. Mit einer eigens entwickelten drahtlosen Ladetechnik werden die Sphären nach Ablauf eines Prozesses gleichzeitig wieder aufgeladen.

Bis jetzt wurde in den Sens-o-Spheres ein Temperatursensor verbaut. Die Kugeln sollen in Zukunft aber auch mit anderen typischen Messvorrichtungen – etwa für pHWert oder Gelöstsauerstoffgehalt – kombiniert werden.

Bisher kommen meist Stabsonden zum Einsatz, die über einen standardisierten Port eingeführt werden. Dies erlaubt jedoch nur punktuelle Messungen, die nicht immer repräsentativ für das Gesamtvolumen sind. Außerdem können durch diese »Fremdkörper« die Misch- und Transportvorgänge beeinflusst werden, was zu Problemen beim Upscaling führen kann. Die notwendigen Verschraubungen und Verkabelungen erhöhen zudem maßgeblich den Arbeitsaufwand. Die Sens-o-Spheres lösen all diese Probleme und setzen somit neue Standards für die Messtechnik.

An der Entwicklung der Sens-o-Spheres waren neben dem Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme ENAS die Technische Universität Dresden sowie vier Partner aus der Industrie beteiligt. Das Projekt wird gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF).