Optische Prozesskontrolle durch neuartiges Kontur-Messverfahren

Abbildung 1: Aufbau des optischen Messverfahrens (Foto: Isabelle Kockler)

Hintergrund: Die Hochgradienten-Magnetseparation (HGMS) ist ein Trennverfahren, bei dem Magnetpartikel aus einem Mehrkomponentensystem (Suspension) im Durchflussverfahren mit Hilfe einer magnetisierbaren Matrix (im Inneren einer HGMS-Abscheidekammer) und eines äußeren Magnetfelds selektiv abgetrennt werden können. Entsprechend geeignete Magnetpartikel dienen zur Immobilisierung von Enzymen in der Biokatalyse oder zur Abtrennung von Biomolekülen, wie beispielsweise mRNA aus Zelllysaten.

Bei dem Abtrennvorgang nimmt die Beladung der HGMS-Abscheidekammer mit Magnetpartikeln kontinuierlich zu, was in anwachsenden Anlagerungsbereichen an der Abscheidematrix resultiert. Mit zunehmender Beladung sinkt der Rückhalteeffekt der HGMS-Abscheidekammer und Magnetpartikel werden mit dem Flüssigkeitsstrom ausgetragen. Der Verlust an Magnetpartikeln bedeutet aber immer auch einen Verlust an Wertprodukt bzw. immobilisiertem Enzym. Bisherige Messverfahren im Flüssigkeitsstrom hinter der HGMS-Abscheidekammer erfassen den Partikelverlust erst, nachdem dieser bereits aufgetreten ist.

Aufgabenstellung: Um den Partikelverlust zu minimieren, sollte ein optisches Messverfahren etabliert werden, mit dem ein Monitoring des Abtrennprozesses bereits in der HGMS-Abscheidekammer erfolgen kann. Dafür wurde im Vorfeld eine geeignete, 3D-gedruckte, optisch-transparente HGMS-Abscheidekammer entworfen und gefertigt. Mit dem optischen Messverfahren soll es möglich sein, den „Filterdurchbruch“ (d. h. das Erreichen der Beladungskapazität der HGMS-Abscheidekammer) vorzeitig zu erkennen und den Abtrennprozess automatisch zu beenden, bevor ein Magnetpartikelverlust eintritt.

Das Monitoring des Abtrennprozesses soll dabei über die charakteristischen Partikelanlagerungsbereiche erfolgen. Verbreitet eingesetzte optische Messverfahren, wie z. B. die Foto-gestützte Bildauswertung, gelangen bei den hier vorkommenden trüben Suspensionen mit Eigenfärbung und hohem Feststoffanteil allerdings schnell an ihre Grenzen.

Umsetzung: In den vergangenen Semestern haben Studierende und Projektmitarbeiter des Instituts für biotechnisches Prozessdesign (IBioPD) und des Innovationslabors Digitalisierung (INNODIG) daher einen interdisziplinären Lösungsansatz verfolgt und ein optisches Kontur-Messverfahren entwickelt. Es handelt sich dabei um eine dynamische Lichtabsorptionsmessung, die über einen Sensor und zwei Schrittmotoren achsparallel und zeilenscannend realisiert wird. Angelagerte Magnetpartikel absorbieren Licht, das von einer LED-Lichtquelle durch die HGMS-Abscheidekammer hindurchgestrahlte wird, wonach eine Kontur zu unbeladenen Bereichen sichtbar wird. Wird eine kritische Kontur erreicht, so wird der Abtrennprozess durch das Stoppen der Förderpumpe beendet.

Um dies zu realisieren, wird ein Adafruit TSL2561 Lichtsensor mit zwei Schrittmotoren in einer xz-Ebene so verfahren, dass ein vollständiger Scan der HGMS-Abscheidekammer möglich ist. Die Steuerung der Schrittmotoren wurde mit einem Arduino Mega 2560 und einem Adafruit Motorshield V2 umgesetzt. Dabei ist eine Auflösung von 0,1 mm Schrittweite in x- sowie in z-Richtung möglich. Zur Positionierung des Sensors in einer definierten Startposition wurden außerdem zwei Endschalter eingebunden. Das komplette Messsystem ist in einem lichtundurchlässigen Edelstahlgehäuse montiert, welches von der HOWATHERM Klimatechnik GmbH gefertigt wurde. Mit diesem Gehäuse wird der komplette Messaufbau vor wechselnden Umgebungslicht-Bedingungen geschützt und in einer festen Position an der HGMS-Anlage befestigt (siehe Abbildung 1).

Die Konturmessung erfolgt somit reproduzierbar und ohne optische Verzerrung, wodurch Fehlinterpretationen über das Anwachsen der Partikelanlagerungsbereiche vermieden werden. Durch die neuartige Messmethodik und die flexible Programmierbarkeit ist eine Adaption auf unterschiedliche Abscheidematrix-Geometrien und weitere Messprobleme auch innerhalb anderer Anwendungsgebiete möglich.

Danksagung: Die Autoren danken der Europäischen Union und dem Land Rheinland-Pfalz für die finanzielle Unterstützung des Projekts „Entwicklung eines Kontur-Messverfahrens“ im Förderprogramm „InnoProm – Innovation und Promotion“ aus dem Europäischen Fonds für regionale Entwicklung sowie den Mitarbeitern des Innovationslabors Digitalisierung (INNODIG) und der Firma HOWATHERM Klimatechnik GmbH für die gute Zusammenarbeit.