Novel probes for pH and dissolved oxygen measurements in cultivations from millilitre to benchtop scale Saarbrücken, 17.Mai 2017 Mini-Review (2015) by Caspar Demuth, Joel Varonier, Valentin Jossen, Regine Eibl, Dieter Eibl Regina Walter

Überblick Einführung pH – Wert & DO Messung: Konventionelle Bioreaktoren Elektrochemische Sensoren Optische Sensoren Neue Sensoren für den Milliliter- und Liter-Maßstab Einweg-Bioreaktoren vs. konventionelle Bioreaktoren Single-use pH- & DO-Sensoren Zusammenfassung & Ausblick 17.05.2017

DO (dissolved oxygen): Wichtig bei aeroben Prozessen Einführung/ Motivation Sensoren pH-Wert: Während einer Kultivierung: pH-Shift Substrat-Verbrauch, Zell-Wachstum, Bildung von Nebenprodukten (Lactat, EtOH, Acetat) DO (dissolved oxygen): Wichtig bei aeroben Prozessen DO: extrazelluläre Menge an gelöstem Sauerstoff in einem bestimmten Wasservolumen  Indikaktor für das Zellwachstum Liegen pH-Wert und DO nicht im optimalen Bereich des genutzten Organismus: Produktqualität + Menge Zellwachstum ggf. Zelltod 17.05.2017

Einführung 17.05.2017

Messprinzip der Sensorik Einführung Messprinzip der Sensorik Anforderungen an das Sensor-System: Sensitivität & Spezifität kalibrierbar Mechanisch robust Stabilität einfacher Gebrauch & Instandhaltung Reinigung & Sterilität validierbar & implementierbar Optimales Ansprechverhalten elektrochemisch optisch massensensitiv kalorimetrisch 17.05.2017

Transducer Elektrochemische Sensoren Optische Sensoren Einführung Potentiometrisch (Messung des elektrochem. Potentials von ionischen Reaktionsprodukten (NH4+, OH-, H+) Amperometrisch (Messung Stromfluss bei konstanter Spannung) Optische Sensoren Absorption Streuung -Elektrochemische Transducer erfassen teilchenspezifische Änderungen von Strömen meist amperometrisch (=frequenzabhängige Leitfähigkeiten) Potentiometrisch (=Grenzflächenpotentiale/Spannungen) Bekannt ist die pH-Elektrode, die mit einer ionensensitiven Glasmembran auf potenziometrischer Basis arbeitet Amperometrisch: gut geeignet für Stoffwechselprodukte, die leicht oxidiert bzw. reduziert werden können zb.O2 17.05.2017

Elektrochemische Sensoren pH-Wert Messung: Konventionelle Bioreaktoren : pH-Sensoren, DO- Sensoren Elektrochemische Sensoren pH-Wert Messung: - Potentiometrische pH-Glaselektrode Messen eine Potentialdifferenz zwischen der Glasmembran und einer Referenzelektrode Vorteile: decken ganze pH-Skala ab, hoch selektiv Nachteile: nicht robust, nicht lange haltbar 17.05.2017

Elektrochemische Sensoren DO-Messung: Konventionelle Bioreaktoren: pH-Sensoren, DO- Sensoren Elektrochemische Sensoren DO-Messung: Clark Elektrode (amperometrisch) Sauerstoff permeiert durch Membran, wird reduziert an der Kathode Messung eines Stroms  Korrelation mit gelöster Sauerstoffkonzentration Vorteile: robust Nachteile: Wartungsarbeiten (Austausch der Elektrolyt-Lösung, Sensor-Membran) 23.11.2016

Optische Sensoren für pH-Wert & DO Konventionelle Bioreaktoren: pH-Sensoren, DO- Sensoren Optische Sensoren für pH-Wert & DO Vorteile: -nicht invasiv -robuste Informationsübertragung über Lichtleiterkabel; sensitive Fluoreszenzindikatoren an Matrix immobilisiert -miniaturisierbar 17.05.2017

Neue Sensoren für pH-Wert & DO- Messung Einwegbioreaktor vs. Konventioneller Bioreaktor: Einfluss auf das Sensor-Design Vorteile: vorsterilisiert sofort einsetzbar Anforderungen an Sensor-Design: günstig umweltfreundlich stabil 23.11.2016

Single-use pH & DO- Sensoren Neue Sensoren für pH-Wert & DO- Messung Single-use pH & DO- Sensoren 17.05.2017

Zusammenfassung & Ausblick Elektrochemische Sensoren dominierten jahrzentelang die Online-Messung von pH-Wert & DO aufgrund ihrer Robustheit, geringen Kosten & Performance Etablierung von optischen Sensoren seit einigen Jahren Nicht-invasive, kontaktlose Messtechnik Optimal für Einwegbioreaktoren geeignet Einfache, problemlose Miniaturisierung im Milliliter/Mikroliter-Maßstab Intensive Forschung bzgl.: Indikatorstoffe mit Absorptions-/Emissionsmaxima im IR- und NIR-Bereich weniger spektrale Interferenz der Biomoleküle im IR-Bereich Nanoparticle-based-sensors (12 nm Durchmesser) 17.05.2017