Ultraschall unterstützte Infrarot Sensoren

Ultraschall unterstützte MIR Faseroptik Sonden für die In-line Bioprozesskontrolle ist ein Projekt eingereicht von den Instituten Chemische Technology und Analytik und Allgemeine Phyisk an der TU Wien das darauf abzielt, erfolgreiche chemische Meßverfahren basierend auf FTIR Spektrokopie speziell für Anwendungen im Bereich der (Bio)Prozesstechnologie zur Verfügung zu stellen. Es sollen Meßzellen- und sonden entwickelt werden in denen biologische Zellen durch Kräfte die in stehenden Ultraschallwellen auf Teilchen wirken fast nach Belieben an bestimmte Stelle bewegt werden. Zu diesem Zweck sollen die Meßzellen und -sonden mit Piezoelementen ausgerüstet werden, die Ultraschallwellen von typischerweise 2 MHz in die zu messende Flüssigkeit abstrahlen. An der gegenüberliegenden Seite wird die Welle reflektiert und bildet in Superposition mit der ursprünglichen Welle die erwähnte Stehwelle. In der industriellen Anwendung, z.B. In der Fermentationsüberwachung interessieren sowohl die chemischen Bestandteile der Flüssigkeit als auch Substanzen, die sich während des Prozesses in den biologischen Zellen (Biokatalysatoren) anlagern oder dort verbraucht werden. Neben Fermentationen sollen auch Kristallisationen in batch-Prozessen untersucht werden. Während der FTIR Messung ist geplant die Mikroorganismen mittels des Ultraschalls auf das Sensorelement zu drücken und um Verunreinigungen zu vermeiden nach der spektroskopischen Messung wieder abzuheben.Die Kombination Infrarotspektroskopie mit einer Möglichkeit den Aufenthaltsort der Zellen zu steuern kann in der Lage sein sowohl die chemische Zusammensetzung der Flüssigkeit als auch die Inhaltsstoffe des Biomaterials zu bestimmen und das on- bzw. in- line und über längere Zeit stabil wiederholt.

Die Motivation für das vorliegende Projekt ist der Bedarf nach neuen, leistungsfähigen Sensoren seitens der biotechnologischen Industrie, insbesondere in Bezug auf die Erhebung des Ist-Zustandes eines biotechnologischen Fermentationsprozesses. Hier ist insbesondere die chemische Zusammensetzung der Zellen, sowie der daraus ableitbare physiologische Zustand derselben, als auch die Konzentration von Substraten und Produkten in der Fermentationsbrühe von Interesse, zwar sowohl im Hinblick auf die Sicherheit des Produkts als auch auf die Produktivität des Prozesses. Hier bietet sich die Infrarot (IR) Spektroskopie an, da sie molekülspezifische Information direkt und zerstörungsfrei zugänglich macht und sowohl auf gelöste Substanzen sowie auch auf Feststoffe anwendbar ist. Das Projektziel, die ersten Erfahrungen mit der Kombination der Ultraschall- teilchenmanipulation und der IR-Spektroskopie in Richtung einer industriellen Anwendbarkeit weiterzuentwickeln, ist erreicht worden. Als Ergebnis präsentieren wir den Prototyp einer faseroptischen Sonde mit der in einem Reaktionsgefäß die Infrarotspektren von Trägerflüssigkeit und darin suspendierten - also frei verteilten - Teilchen getrennt gemessen werden können. Dies ist möglich, da durch die Erzeugung einer stehenden Ultraschallwelle die räumliche Verteilung der Teilchen gesteuert werden kann. Insbesondere können die Partikel entweder vom IR Sensor ferngehalten werden - dann wird nur die Flüssigkeit vermessen - oder an die oberflächen-empfindliche optische Sonde herangeführt werden - dann wird das gemessene Spektrum in hohem Maß von den Teilchen bestimmt. Die Sonde ist mit Lichtleitern an das Spektrometer gekoppelt was zu großer Flexibilität in Bezug auf die räumliche Anordnung der Komponenten führt ohne dabei die Qualität der Messung zu beeinflussen. Der Prototyp genügt auch biotechnologischen Vorgaben hinsichtlich der verwendeten Materialien und Abmessungen um den erwähnten Einsatz zur Fermentationsüberwachung zu ermöglichen. Änderungen der biochemischen Abläufe in Zellen können innerhalb weniger Minuten auftreten, daher ist es ist um eine Führung des Prozesses zu gewährleisten, notwendig, Messzeiten zu erzielen, die deutlich darunter liegen. Experimente mit suspendierten Hefezellen verliefen erfolgreich, es konnten aussagekräftige Spektren in unter drei Minuten erhoben werden. Der Prototyp hat sich auch bezüglich Robustheit und Langzeitstabilität der Aufgabe gewachsen erwiesen: Verschmutzungen des optischen Sensors, wie sie sich in den Vorversuchen als limitierender Faktor erwiesen hatten, traten, möglicherweise durch die ständige Beschallung, in wesentlich geringerem Maß auf und falls doch so konnte die Situation mit geeigneter Steuerung des Ultraschallfeldes bereinigt werden. Die Machbarkeit dieses Konzepts wurde zunächst in einem experimentellen Aufbau, einer Art Dummyreaktor, für verschiedene Suspensionen gezeigt. Darunter waren auch suspendierte Harzteilchen in denen chemischer Reaktionen ablaufen. Es war möglich den Ablauf dieser Reaktionen mittels IR Spektroskopie zu beobachten.