Totvolumenfreie Probenahmesonde – Altes Thema kombiniert mit neuer Technologie

Die Industrielle Biotechnologie ist täglich auf der Suche nach effizienten biotechnologischen Produktionsverfahren. Hierfür müssen viele neue Organismen in noch mal so vielen unterschiedlichen Bioprozessen schnell und kostengünstig getestet und optimiert werden. Im nun abgeschlossenen EU-Projekt NANOBE (Förderkennzeichen FP7-227343) wurde am Institut für Bioprozess- und Analysenmesstechnik e. V. in Heilbad Heiligenstadt mit nano- und mikrotechnologisch basierten Modulen eine automatisierte Analytikplattform für das online Monitoring entwickelt.

Neue Technologie für bioprozessreale Probenahme

Das iba entwickelte eine sterilisierbare Probenahmesonde für Bioreaktoren mit einem Arbeitsvolumen von 50 mL bis 10.000 L, einzige Voraussetzung ist das Vorhandensein eines DN 12 kompatiblen Standardstutzens. Sogar ein Einbauwinkel von 0 bis 70° ist möglich. Die Probe kann ein Volumen von 20 bis 200 µL umfassen und wird automatisch in Luftkissen eingebettet. Die hier in Anwendung gebrachte Technologie basiert auf der Modifikation der Technik des segmentierten Flusses, in der wässrige Lösungen, wie hier beispielsweise die Proben als kleine Tropfen in einer nicht mischbaren Flüssigkeit oder Gas einbettet und den anschließenden schnellen Transport dieser Tropfen durch Schläuche zu ihrem Bestimmungsort, wie z.B. verschiedenen Analytikgeräten ermöglicht. Die angekoppelten Analysatoren können somit alle 10 Minuten mit einer aktuellen, dem Bioprozess entsprechenden Probe versorgt werden. Ein motorisiertes Schlauchquetschventil agiert sowohl als Sterilbarriere zwischen dem Bioreaktorinhalt und den angekoppelten Analytiksystemen als auch zum Druckschutz bei Druckfermentationen. Für zellfreie Proben kann hier zusätzlich ein Filter angekoppelt werden, der ohne Kontaminationsgefahr während der Kultivierung gewechselt werden kann. Ein spezieller Probenahmekopf ermöglicht eine blasenfreie Probeentnahme aus einem mit zu 2 vvm begasten Medium auch für entsprechend empfindliche Analysatoren. Zusätzlich wurden faseroptische Sensoren der Firma PreSens GmbH (IBB-Netzwerkmitglied) für pH, pO2 und pCO2 in die Sonde für in situ Messungen integriert, so dass auch in einem kleinen Bioreaktor auf Basis mehrerer Prozessparameter neue Regelstrategien für den jeweiligen Bioprozess kostengünstig erstellt werden können.

Prototyp erstellt

Erste Tests in Hefe- und Streptomycetenkultivierungen mit einer Laufzeit von bis zu 14 Tagen zeigten reproduzierbare Probenvolumina. Biofoulingeffekte waren über diesen Zeitraum vernachlässigbar. Darüber hinaus konnte eine Probeentnahme aus einer Hochdruckfermentation (3 bar) erfolgreich durchgeführt werden. Die Ingenieure und Biologen des iba wollen nun den Prototypen in weiteren Langzeitversuchen auf seine Robustheit und Anwenderfreundlichkeit testen. Quelle: idw