Novel probes for pH and dissolved oxygen measurements in cultivations from millilitre to benchtop scale Saarbrücken, 17.Mai 2017 Mini-Review (2015) by.

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1 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

2 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

3 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

4 Einführung

5 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

6 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

7 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

8 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)

9 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

10 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

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

12 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)

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