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Ein neues Lehrmodell veranschaulicht bioverfahrenstechnische Prozesse

Die Sterilisation von Flüssigkeiten oder die Kultivierung in Fermentern sind hoch automatisierte Prozesse. Trotzdem sollten die Prozesse der Mess- und Regeltechnik, die diesen Vorgängen zu Grunde liegen, den Studenten der Biotechnologie anschaulich vermitteln werden. Deshalb wurde von der Adiro Automatisierungstechnik GmbH gemeinsam mit der Hochschule Esslingen ein Lehrmodell entwickelt, das die Prinzipien einer kontinuierlichen Sterilisationsanlage anschaulich vermittelt. Vom 11. bis 15. Mai 2009 wird es auf der Achema erstmals präsentiert.

Prof. Biener lehrt an der Hochschule Esslingen Bioverfahrenstechnik. © privat

Studenten der Biotechnologie erlernen während Ihres Studiums neben biologischen Inhalten auch verfahrenstechnische Grundlagen. Im Fach Bioverfahrenstechnik berechnen sie die Einstellungen für verschiedene Prozessparameter wie Temperatur, Druck oder Sauerstoffgehalt in Bioreaktoren oder Sterilisationsanlagen. Sie ermitteln auch, wie sich Änderungen der Heiz- oder Kühltemperatur auf die Wärmeverhältnisse im Inneren einer Anlage auswirken.

Eine anschauliche Vermittlung dieser Lehrinhalte ist allerdings oft schwierig, da die entsprechenden Anlagen voll automatisiert und von außen kaum einsehbar sind.  Für den Einsatz als anschauliches Lehrobjekt sind diese auch oft zu teuer.
So entstand bei Prof. Biener, der an der Fakultät für Angewandte Naturwissenschaften der Hochschule Esslingen Bioverfahrenstechnik lehrt, die Idee, ein Lernsystem zur kontinuierlichen Sterilisation von Flüssigkeiten zu entwickeln. An dieser Anlage sollten seine Studenten das Gelernte praktisch ausprobieren können.

Ein anschauliches Lehrmodell entsteht

Volker Hödl neben der kontinuierlichen Sterilisationsanlage, die er im Rahmen seiner Diplomarbeit mit entwickelte. © Adiro

Für die Umsetzung dieser Idee suchte er nach geeigneten Partnern. Dabei traf er auf die ADIRO Automatisierungstechnik GmbH aus Esslingen, die Erfahrung in der Herstellung von Lernsystemen besitzt. Er erfuhr, dass ADIRO ein ähnliches Projekt unter Mitwirkung von Prof. Töpfer vom Institut für angewandte Forschung (IAF) in Göppingen und der TFH Wildau bereits begonnen hatte. In ersten Gesprächen stellte sich dann heraus, dass die Ansprüche der Projektpartner an die Modellanlage doch recht unterschiedlich waren.  Deshalb einigten sie sich darauf, zwei unterschiedliche Anlagen parallel zu entwickeln.

Die Entwicklung der kontinuierlichen Sterilisationsanlage wurde zum Thema der Diplomarbeit von Volker Hödl, der an der Hochschule Esslingen Biotechnologie studiert hat. Betreut von Prof. Biener nahm das Projekt immer deutlicher Gestalt an. Es wurden Fließbilder entworfen, Verschaltungen skizziert, die Dimensionen der Wärmetauscher berechnet und Ventile optimal platziert.
Entstanden ist ein Schulungssystem, an dem die Studierenden sehen, was während der Sterilisation passiert, und wie es sich auswirkt, wenn sie einzelne Parameter verändern.
Das in der Anlage befindliche Wasser wird nur auf 50 bis 60°C erhitzt, aber die dazugehörige Regelungstechnik funktioniert wie bei einer echten Anlage.
Die Temperatur der Flüssigkeit wird von Sensoren registriert und von diesen an Regler übermittelt, die wiederum die Heizung entsprechend steuern. Die Parameter der verschiedenen Regler können von den Studenten variiert werden. Sie sollen lernen, diese so zu wählen, dass die Temperaturschwankungen möglichst gering sind.

Gelerntes in die Praxis umsetzen

Prof. Biener freut sich bereits darauf, die kontinuierliche Sterilisationsanlage in Praktika einzusetzen: "Der Vorteil des Gerätes ist, dass die Studenten die Regelungstechnik praktisch erfahren können. Die Arbeit an dem Gerät wird den Studenten Spaß machen, weil sie eigene Ideen einbringen können. Rechen- und Auswerteverfahren, welche die Studenten zuvor in der Vorlesung theoretisch erlernt haben, finden nun in der Suche nach den passenden Parametern für eine optimale Einstellung des Gerätes Anwendung. Ob das Ergebnis der Rechnungen richtig war, kann anschließend direkt experimentell überprüft werden."
Weitere Lehrinhalte, die mit der Anlage vermittelt werden können, sind die vollständige Bilanzierung der Wärmetauscher und die Simulation der Behälterinnenreinigung, wie sie bei Pharma-und Lebensmittelanlagen vorgeschrieben ist. Mittels kleiner Umbauarbeiten können die Wärmetauscher auch vom Gegenstrombetrieb in den Gleichstrombetrieb umgestellt werden.

Das Schulungssystem mit seinen Komponenten. Zur Automatisierung wurde das industrielle Prozessleitsystem SIMATIC PCS7 von Siemens eingesetzt. © Adiro

"Mit dem Modell werden in Experimenten die Kenntnisse im Bereich der Regelungs- und Steriltechnik gefestigt. Getrennt davon  kann später kann bei der Arbeit mit Fermentern der Fokus auf die Besonderheiten der Kultivierung von Mikroorganismen oder Zellen gelegt werden.", so Prof. Biener.

Den erforderlichen Vorkenntnissen entsprechend soll die kontinuierliche Sterilisationsanlage  für die Ausbildung von Studenten höherer Semester eingesetzt werden.
Ab dem Sommersemester 2010 soll sie für die Ausbildung im Wahlpflichtfach Bioprozessführung an der Hochschule Esslingen genutzt werden. Prof. Biener kann sich aber auch gut vorstellen, dass die Anwendung in der Ausbildung auch für andere Hochschulen oder für Berufsschulen interessant sein könnte. Einen ersten Eindruck von dem Gerät kann man vom 11. bis 15. Mai 2009 auf der Achema erhalten, wo es auf dem Gemeinschaftsstand der TH BW vorgestellt wird.

Die moderne Biotechnologie ist auf eine Automatisierung, der eine komplizierte Meß- und Regelungstechnik zugrunde liegt, angewiesen. Die beschriebene kontinuierliche Sterilisationsanlage verdeutlicht die Prozesse, die unter Anderem beim Pasteurisieren von Milch oder Fruchtsäften stattfinden. Zum Sterilisieren von Flüssigkeiten existieren zwei unterschiedliche Verfahren. Im Batch-Verfahren wird die gesamte Flüssigkeitsmenge über einen bestimmten Zeitraum erhitzt und anschließend abgekühlt. Beim Verfahren der kontinuierlichen Sterilisation wird die Flüssigkeit durch Wärmetauscher gepumpt, wo sie erst erhitzt und anschließend wieder abgekühlt werden. Der Energieaufwand ist bei diesem Verfahren deutlich geringer, außerdem ist das Verfahren durch das rasche, kurzzeitige Erhitzen schonender für empfindliche Inhaltsstoffe wie Vitamine.

Seiten-Adresse: https://www.gesundheitsindustrie-bw.de/fachbeitrag/aktuell/ein-neues-lehrmodell-veranschaulicht-bioverfahrenstechnische-prozesse