Adaptive optimale Regelung der kontinuierlichen wässrigen Zweiphasen-Flotation (ATPF)

• Antragsteller: Professor Dr. Moritz Diehl; Professor Dr.-Ing. Hermann Nirschl
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik ; Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 504452366

Wirkstoffe, wie mRNA-Impfstoffe, werden in Liposomen oder flüssigen Nanopartikeln verkapselt. Dabei bilden Phospholipide eine äußere Hülle um den Wirkstoff und sorgen für den Transport in den menschlichen Körper. Gezielte Modifikationen der amphiphilen Phospholipide durch Enzyme, z. B. die Abspaltung von Fettsäuren vom hydrophoben Schwanz, erlauben es, verschiedene Wirkstoffe zu stabilisieren. Es gibt verschiedene Phospholipasen, die jeweils an unterschiedlichen Stellen Phospholipide hydrolysieren und so gezielt deren Eigenschaften für eine verbesserte Qualität verändern. Phospholipasen sind technische Enzyme, die als Biokatalysatoren in vielen industriellen Anwendungen eine entscheidende Rolle spielen. Ihre einzigartigen Eigenschaften werden nicht nur bei der Formulierung von Arzneimitteln, sondern auch in der Kosmetik- und Lebensmittelproduktion genutzt. Dies führt zu einem großen Bedarf an Phospholipasen, der nur durch mikrobielle Fermentation und eine effiziente Aufarbeitung zur Gewinnung der Enzyme aus der Fermentationsbrühe gedeckt werden kann.Ziel dieses Projektes ist es daher, die kontinuierliche wässrige Zweiphasen-Flotation (ATPF) in ein automatisch gesteuertes Verfahren zur Phospholipase-Gewinnung und -Reinigung zu überführen, das leicht auf andere biotechnologische Produkte aus komplexen Biosuspensionen übertragbar ist. Der experimentelle Schwerpunkt wird vom Institut für Mechanische Verfahrenstechnik des Karlsruher Instituts für Technologie (Prof. Hermann Nirschl) bearbeitet, einschließlich der Etablierung geeigneter online Messmethoden zur Bestimmung der Konzentration und Aktivität der Phospholipasen. In enger Zusammenarbeit mit dem Institut für Mikrosystemtechnik der Universität Freiburg (Prof. Moritz Diehl) wird ein neues Systemmodell des kontinuierlichen ATPF-Prozesses erstellt. Das Systemmodell ermöglicht eine zweistufige nichtlineare modellprädiktive Regelung (NMPC), die in Freiburg entwickelt und mit einer Schätzmethode kombiniert wird, die in der Lage ist, Modellkorrekturen nullter und erster Ordnung online zu erlernen, um einen optimalen stationären Betrieb unter verschiedenen Prozessbedingungen sicherzustellen.Am Ende der ersten Förderperiode soll ein Regelsystem im Labormaßstab zur Verfügung stehen, welches in der Lage ist, das ATPF-Modell zu adaptieren und auf der Basis von Online-Messungen auf Störungen zu reagieren. In der zweiten Förderperiode soll die weitere Abtrennung der Phospholipasen aus der konzentrierten Enzymlösung durch Ultrazentrifugation in die geregelte Prozesskette integriert werden.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2364: Autonome Prozesse in der Partikeltechnik - Erforschung und Erprobung von Konzepten zur modellbasierten Führung partikeltechnischer Prozesse