Die Skalierung einer Lebendkultur-Fermentation von Pilot- auf Linienproduktion ist ein Moment, in dem viele gute Produktkonzepte an der Realität der Produktion scheitern — nicht selten wegen unerwarteter sensorischer Änderungen. Aus meiner Erfahrung als Produktentwicklerin weiß ich: Sensorische Verluste lassen sich verhindern, wenn man bereits frühzeitig mikrobiologische, physikalische und prozessuale Stellschrauben synchronisiert. In diesem Beitrag teile ich konkrete Hebel, Praxisbeispiele und eine pragmatische Checkliste, damit Ihr Produkt seine gewünschte Textur, Aroma- und Geschmacksbalance auch bei 1.000+ Liter Chargen bewahrt.
Warum treten sensorische Veränderungen beim Hochskalieren auf?
Bevor wir in Lösungen gehen, ist ein realistisches Verständnis der Ursachen zentral:
Geänderte Misch- und Scherbedingungen: Im größeren Tank verändern sich Strömungen, Schervorgänge und Temperaturgradienten, was die Vermehrung und den Stoffwechsel der Kulturen beeinflusst.Stoffwechselraten und Substratverfügbarkeit: Bei anderen Volumenverhältnissen ändern sich lokale Nährstoffkonzentrationen, O2-Gradienten (bei fakultativ anaeroben Kulturen) und pH-Verläufe.Verweilzeit- und Transporteffekte: Pumpen, Rohrleitungen und Zwischenbehälter verlängern oder verkürzen lokale Verweilzeiten — mit Einfluss auf Metabolitbildung.Materialoberflächen und Bioburden: Größere Anlagen bringen andere Oberflächenverhältnisse und potenziell andere mikrobiologische Kontaminationen mit sich.Mein pragmatischer Ansatz: Vom Pilotdenken zur Linienrealität
Ich arbeite gern mit einem iterativen Dreiklang: Messung — Hypothese — Validierung. Praktisch bedeutet das:
Frühzeitige Replikation kritischer Parameter aus der Linie bereits im Pilotmaßstab (nicht nur Volumen, sondern Rührer-Power/Volumen, Wärmeübergang, pH-Dynamik).Definieren Sie im Pilotlauf klar die «Critical to Quality»-Attribute (CTQs): Welche sensorischen Merkmale dürfen nicht abweichen? Aromaintensität, Säureprofil, Textur-Kohäsion?Nutzen Sie mikrobiologische Marker (z. B. Metabolitprofile) als Frühwarnsysteme für sensorische Änderungen — oft vorhersehbarer als reine Endtests.Prozesskontrolle: Die Stellschrauben, die ich priorisiere
Bei Skalierungsprojekten haben sich folgende Parameter als wirkungsvoll erwiesen:
Power/Volumen (P/V): Stellen Sie sicher, dass das Verhältnis aus zugeführter Energie zur Menge ähnlich bleibt. Unterschiedliche Rührertypen und baffle-Layouts verlangen Anpassungen.Typ und Intensität des Rührwerks: Schersensitive Kulturen reagieren bei zu hoher Scherung mit veränderten Zellstoffwechseln oder sogar Lyses, was Aroma beeinflussen kann.Wärmemanagement: Temperaturspitzen oder -gradienten verändern Reaktionsraten. Ein homogenes Temperaturprofil ist essenziell.pH- und Redox-Management: Automatisierte Regelkreise vermeiden driftende Stoffwechselwege, die zu unerwünschten Nebenaromen führen können.Belüftung und Dissolved Oxygen (bei Bedarf): Auch bei teilanaeroben Prozessen kann O2-Exposition kurzzeitig Metabolitlawinen auslösen.Rohstoff- und Kulturmanagement
Die besten Prozesstricks nützen wenig, wenn Ausgangsstoffe oder Kulturen ungleichmäßig sind. Ich achte deshalb auf:
Chargenfreigabe der Kulturen: Lot-to-lot-Variabilität bei Starterkulturen dokumentieren und bei Abweichungen Rückversuche im Pilotmaßstab vornehmen.Startergrößen und Inokulationsstrategie: Unterschiedliche Inokulationsraten verändern Wachstumskinetiken. Manchmal ist ein zweistufiger Inokulationsansatz (Seed-Fermenter) nötig.Rohstoffspezifikationen: Enzymaktivitäten, Zuckerspektrum, Proteingehalt und Pufferkapazität beeinflussen Metabolitprofile — und damit Geschmack und Textur.Equipment- und Skalenfaktoren praktisch angehen
Ich empfehle die folgende Vorgehensweise beim Equipment-Transfer:
Modelle vergleichen: Simulieren Sie Strömungsfelder (CFD) oder nutzen Sie Erfahrungswerte zu P/V, Reynolds-Zahl und Scherprofilen.Prototyp-Rührer im Pilot: Testen Sie Rührerformen, die später in der Linie eingesetzt werden, um ähnliches Scherverhalten zu erzielen.Vermeiden Sie unnötige Pumpwege: Jedes zusätzliche Pumpen und Rohrleitungssystem ist eine Variable, die Wärme, Scherung und Verweilzeit beeinflusst.Sensorik, QA und Monitoring
Sensorische Konsistenz messe ich nicht nur am Ende. Ein mehrstufiges Monitoring erhöht die Trefferquote:
Inline-Analytik: pH, Leitfähigkeit, Temperatur, Redox und gegebenenfalls NIR/UV für Metabolitverfolgung.Periodische mikrobiologische Schnelltests: Plate Counts, qPCR für Starterkulturen oder spezifische Marker.Sensorische Zwischentests: Conduct small-batch sensory checks at key process steps — z. B. nach Fermentationsende, nach Reifung, nach Downstream.Fallbeispiel: Fermentation einer lebenden Joghurt-Kultur
Ein Kollege brachte mir einmal ein Projekt: Ein lebender Joghurt mit einer feinen aber markanten Hefe-Note war im Pilot perfekt — in der Linie schmeckte er metallischer und verlor Süße. Schritte, die wir durchführten:
Analyse der Temperaturverläufe in der Linie: Hot-spots in der Rohrleitung führten zu lokalen Überhitzungen und veränderten Metabolitmustern.Austausch des Rührers im 3.000-Liter-Tank gegen ein Modell mit geringerem Scherprofil, gleichzeitig Erhöhung der Inokulationsdichte, um exponentielles Wachstum zu stabilisieren.Einführung einer kurzen, kontrollierten Kühlstufe unmittelbar nach Fermentationsende, um die Enzymausbildung zu stoppen — das reduzierte die metallischen Noten.Ergebnis: Sensorische Parameter lagen nach drei Iterationen erneut innerhalb der Pilot-Spezifikation.
KPIs und Meilensteine, die ich setze
Für ein übersetzbares Monitoring nutze ich folgende KPIs:
Sensorische Spezifikationen (% Abdeckung der Panel-Noten vs. Pilot).Biomasse- und Metabolitprofile (z. B. Milchsäure, Diacetyl, Acetaldehyd).Prozessstabilität: pH-Drift pro Stunde, Temperaturabweichung, Inokulat-Konsistenz.Produktverluste und Ausbeute nach Downstream.| Checklist für ersten Linienlauf | Ja/Nein |
|---|
| CTQs definiert und quantifiziert | |
| P/V-Matching geprüft | |
| Starterkultur-Lot verifiziert | |
| Inline-Sensoren installiert | |
| Schnelle sensorische Zwischentests geplant | |
Umsetzungsstrategie: Schritt für Schritt
Ich empfehle dieses pragmatische Vorgehen, um das Risiko zu minimieren:
Phase 0 — Mapping: Alle kritischen Prozess- und Materialvariablen dokumentieren und CTQs definieren.Phase 1 — Pilotoptimierung: Replikate unter unterschiedlichen P/V- und Inokulationsbedingungen laufen lassen.Phase 2 — Techniktransfer: CFD/Prozesssimulationen, Auswahl equivalenter Rührer und Installation von Messpunkten in der Linie.Phase 3 — Validierungslauf mit erweitertem Monitoring: Inline-Analyse, mikrobiologische Kontrollen und Paneltests.Phase 4 — Kontrolle und Stabilisierung: KPIs beobachten, SOPs anpassen, Schulung des Bedienpersonals.Die Skalierung ist kein einmaliger Akt, sondern ein lernender Prozess. Werden Messdaten systematisch erfasst und auf sensorische Ziele ausgerichtet, lassen sich viele Überraschungen vermeiden. Wenn Sie möchten, begleite ich solche Transfers gern in Form von Prozessaudits oder Pilot-Coachings — mit Fokus auf umsetzbare Anpassungen und klaren KPIs.
