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foxySpec – ein Analysesystem mit großem Potenzial für Bioproduktion und Diagnostik

Das foxySpec-System auf Basis der Massenspektrometrie ermöglicht die Echtzeit-Überwachung von mehreren Komponenten – gleichzeitig aus der Gasphase und einer Flüssigkeit. Diese Simultanmessungen machen das System unter anderem interessant für die medizinische Diagnostik. Auch die Bioproduktion kann profitieren: Mit foxySpec können in der Prozessanalytik viele Komponenten zeitnah gemessen werden, was den reibungslosen Ablauf im Fermenter unterstützt.

Das Fraunhofer-Entwicklerteam (v.l.n.r: Martin Joos, Matthias Stier, Stephan Scherle) präsentierte foxySpec auf der ACHEMA 2015 und bereitet für Ende 2017 die Unternehmensgründung vor. © Fraunhofer IGB

Schon im Vorfeld heimste foxySpec einige Lorbeeren ein. Der Prototyp kam auf der ACHEMA 2015 auf die Shortlist für den Innovation Award. Im Dezember 2015 gehörte das Entwicklerteam mit seiner foxySpec-Geschäftsidee zu den drei Gewinnern der Ideenphase im Science4Life Venture Cup. Für Ende 2017 hat das Team den Marktgang und die Gründung eines Start-ups geplant. Das Entwicklerteam ist dabei auch das Gründerteam und stammt aus den Fraunhofer-Instituten für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB, Stuttgart, und für Chemische Technologie ICT, Pfinztal. Beteiligt sind die Diplom-Ingenieure Matthias Stier und Stephan Scherle (IGB) sowie Martin Joos (ICT). Sie haben foxySpec mithilfe einer Fraunhofer-internen Förderung über das Programm „Fraunhofer fördert Entrepreneure FFE“ auf den Weg gebracht.

„Zurzeit ist foxySpec noch eine Art U-Boot-Projekt. Wir haben das System ganz bewusst flexibel gestaltet und sind jetzt dabei, die verschiedenen Anwendungsmöglichkeiten auszuloten und weitere Industriepartner zu suchen“, sagt Stier. Tatsächlich eignet sich das innovative Messsystem auf Massenspektrometer-Basis sowohl für den Einsatz in der Biotechnologie- und Chemiebranche als auch in der medizinischen Diagnostik. Überall, wo laufend Konzentrationen mehrerer Substanzen überwacht werden sollen, kann foxySpec seine Stärken ausspielen. Und das sind in erster Linie die Echtzeitmessung und die Möglichkeit, simultan Stoffkonzentrationen sowohl in der Gas- als auch in der Flüssigphase zu bestimmen.

30 Komponenten gleichzeitig messen – aus Gasphase und Flüssigkeit

Das kompakte Massenspektrometer foxySpec hat ungefähr Waschmaschinengröße. © Fraunhofer IGB
Mit diesen Kapillaren für den Flüssig- beziehungsweise Gaseinlass gelangen die zu messenden Komponenten ins Gerät. © Fraunhofer IGB

Das ermöglicht ein patentiertes, neuartiges Einlasssystem. Normalerweise werden mit dem Massenspektrometer Komponenten einer Gasphase bestimmt und quantifiziert. Soll eine Flüssigkeit untersucht werden, müssen ihre Komponenten zunächst in die Gasphase überführt werden. Das gilt zwar prinzipiell auch für foxySpec. Das System erledigt das dank einer eleganten Bypass-Lösung jedoch ohne Zeitverlust und ohne Trennung der Stoffgemische. Kern des Ganzen ist eine mikroporöse PTFE-Membran (PTFE: Polytetrafluorethylen). An ihr wird ein Unterdruck angelegt, wodurch die flüchtigen Komponenten aus der Flüssigkeit in die Gasphase übertreten, die Membran passieren und massenspektrometrisch erfasst werden können. Die Nachweisgrenze beim foxySpec liegt bei weniger als zehn Mikrogramm pro Liter. „Das System funktioniert bei Stoffen, die in wässriger Phase bei Temperaturen bis zu 100 Grad Celsius und einem Druck von bis zu zehn Bar flüchtig sind. Bei nichtwässrigen Lösungen können diese bis zu 200 Grad heiß sein. Auch Substanzen mit relativ großer Masse und Lipide mit bis zu acht Kohlenstoffatomen können mit foxySpec gemessen werden“, erklärt Stier.

Hinter diesem Modul verbirgt sich die Membran aus PTFE (Polytetrafluorethylen). Das Membranmodul dient als Bypass zur Überführung der flüchtigen Komponenten einer Flüssigkeit in die Gasphase. © Fraunhofer IGB

Das Raffinierte daran: Die Analyseeinheit mit Membran wird zusätzlich zu herkömmlichen Gaseinlässen installiert. Deshalb kann das Gerät gleichzeitig Messungen in der Flüssigkeit und in der Gasphase vornehmen. Bis zu 30 Komponenten können so in einem Rutsch bestimmt werden. Außerdem – und hier wird es auch für medizinische Anwendungen interessant – kann die Membran in einen neu entwickelten Messfühler integriert werden. Da die Membran chemisch inert ist, kann dieser Messfühler in einem Fermenter zum Einsatz kommen. Ebenso gut aber auch in einem Bypass der Herz-Lungen-Maschine, um dort zum Beispiel flüchtige Wirkstoffe oder Metabolite zu messen. Auch in der Anästhesie könnte foxySpec eingesetzt werden, wie Stier sagt: „Das wäre zum Beispiel beim Ein- und Ausleiten einer Narkose interessant. Wird etwa Lachgas eingesetzt, kann seine Konzentration in Echtzeit direkt im Blut bestimmt werden, was Nachjustierungen vereinfacht.“

Flexibles System lässt sich für vielfältige Anwendungen maßschneidern

Die robuste und flexibel einsetzbare Standard-Version des foxySpec, so wie sie zurzeit für den Markteinstieg vorgesehen ist, bietet für den gesamten diagnostischen Bereich noch viele weitere Optionen – zum Beispiel auch zur Überwachung von Biomarkern. Innerhalb weniger Sekunden können die foxySpec-Ventile beliebig zwischen Gas-, Flüssig- und In-situ-Analyse umgeschaltet werden. Das schnelle Wechselschalten eröffnet noch mehr Spielraum für Anwendungen. „Wir sind offen für Anfragen von Industriepartnern, auf deren Bedarfe wir das System dann entsprechend zuschneiden“, bekräftigt Stier. Vom Fermenter-Hersteller bis zum Diagnostikgeräte-Spezialisten reicht die Bandbreite potenzieller Geschäftspartner. Auch die Steuerung kann entsprechend angepasst werden. Die Siemens-Programmierung dafür hat das Team selbst entwickelt. „Damit gewährleisten wir die reibungslose Kommunikation zwischen Massenspektrometer und der Prozessleitsteuerung, worauf auch immer diese abgestimmt wird“, sagt Stier.

Seiten-Adresse: https://www.gesundheitsindustrie-bw.de/fachbeitrag/aktuell/foxyspec-ein-analysesystem-mit-grossem-potenzial-fuer-bioproduktion-und-diagnostik