Mess­son­den für Bioreaktoren

In Bio­re­ak­to­ren stel­len Bio­che­mi­ker und Bio­tech­no­lo­gen Arz­nei­wirk­stof­fe, Enzy­me oder Faden­wür­mer zur bio­lo­gi­schen Schäd­lings­be­kämp­fung her. Mit einer Nähr­lö­sung, gege­be­nen­falls Wär­me, Sauer­stoff, Säu­re oder Lau­ge zur Regu­lie­rung des pH-Werts ent­steht das gewünsch­te Pro­dukt. Je opti­ma­ler die Bedin­gun­gen, des­to grö­ßer der Ertrag. Fraun­ho­fer-For­scher haben jetzt Mess­son­den in Kugel­form ent­wi­ckelt, mit denen sich der Her­stel­lungs­pro­zess bes­ser über­wa­chen und effi­zi­en­ter gestal­ten lässt.

Die rich­ti­ge Tem­pe­ra­tur ent­schei­det dar­über, wie gut sich Mikro­or­ga­nis­men oder Zel­len in einem Bio­re­ak­tor kul­ti­vie­ren las­sen. Obwohl sich die Wär­me im Reak­tor unter­schied­lich ver­teilt, ist die Tem­pe­ra­tur bis­her nur punk­tu­ell mit Stab­son­den mess­bar, die durch vor­de­fi­nier­te Löcher gesteckt wer­den. „Mit unse­ren mobi­len, etwa erb­sen­gro­ßen Sen­sor­ku­geln kön­nen wir die Tem­pe­ra­tur an vie­len Orten gleich­zei­tig erfas­sen. Dadurch ist es mög­lich, die Wär­me­zu­fuhr exakt so zu regu­lie­ren, dass sie für den Her­stel­lungs­pro­zess opti­mal ist“, sagt Tobi­as Lüke, der die neu­en Sens-o-Sphe­res-Mess­ku­geln am Fraun­ho­fer-Insti­tut für Elek­tro­ni­sche Nano­sys­te­me (Fraun­ho­fer ENAS) in Koope­ra­ti­on mit Wis­sen­schaft­lern der Tech­ni­schen Uni­ver­si­tät Dres­den und Pro­jekt­part­nern aus der Indus­trie ent­wi­ckelt hat. „Bei einem Liter sind die Tem­pe­ra­tur­un­ter­schie­de inner­halb eines Reak­tors noch nicht so groß. Bei meh­re­ren tau­send Litern wächst der Feh­ler jedoch erheb­lich. Mit unse­rer prä­zi­sen Mess­tech­nik gibt es weni­ger Pro­ble­me beim Ups­ca­ling der Volu­mi­na, also der Umstel­lung von klei­nen Test­re­ak­to­ren im Labor auf gro­ße in der Produktionshalle.“

Kei­ne Beschränkungen

Ein wei­te­rer Vor­teil der Mess­ku­geln: Wäh­rend Stab­son­den durch Kabel gebun­den sind, sind die Kugeln mit einer auf­lad­ba­ren Bat­te­rie aus­ge­stat­tet. „Der Instal­la­ti­ons­auf­wand ist daher gering. Die Sens-o-Sphe­res schwim­men ein­fach im Medi­um — so stö­ren sie bei­spiels­wei­se auch nicht beim Umrüh­ren. Außer­dem kön­nen sie sowohl pro­blem­los in kilo­me­ter­lan­gen Röh­ren­re­ak­to­ren und ande­ren inno­va­ti­ven Reak­tor­ty­pen als auch in klas­si­schen Klein­kul­ti­vie­rungs­ge­fä­ßen wie dem Schüt­tel­kol­ben ein­ge­setzt wer­den. Gän­gi­ge Mess­sys­te­me sto­ßen hier an ihre Gren­zen“, erklärt Lüke.

Die erfass­ten Daten wer­den per Funk live an eine Basis­sta­ti­on über­tra­gen. Dabei ist jeder Mess­wert einer bestimm­ten Kugel zuge­ord­net, denn jede ver­fügt über eine eige­ne ID. Je mehr Kugeln, des­to höher die Mess­ge­nau­ig­keit — eine Faust­for­mel dafür, wie vie­le Kugeln not­wen­dig sind, gebe es jedoch nicht. Es gel­te: so vie­le Kugeln wie nötig, so weni­ge wie möglich.

Mes­sung wei­te­rer Wer­te geplant

Nach ihrem Ein­satz kön­nen die Kugeln pro­blem­los im Auto­kla­ven ste­ri­li­siert wer­den, denn die Elek­tro­nik ist robust und zudem sicher von einer Kap­sel aus Poly­pro­py­len umschlos­sen — weder Feuch­tig­keit noch hohe Tem­pe­ra­tu­ren von rund 120 Grad Cel­si­us und mehr, wie beim Auto­kla­vie­ren üblich, kön­nen ihr etwas anha­ben. Die Kugeln kön­nen daher ste­ril gehal­ten, mit Hil­fe eines spe­zi­ell ent­wi­ckel­ten induk­ti­ven Bat­te­rie­la­de­sys­tems auf­ge­la­den und wie­der­ver­wen­det werden.

Bald sol­len die Mess­ku­geln nicht nur die Tem­pe­ra­tur, son­dern auch den Sauer­stoff­ge­halt und den pH-Wert erfas­sen kön­nen. „Außer­dem wol­len wir die Basis­sta­ti­on mit dem Gesamt­sys­tem ver­bin­den. Dann könn­te der Her­stel­lungs­pro­zess auf­grund der gemes­se­nen Wer­te auto­ma­tisch gere­gelt wer­den. Die Kugeln sol­len zudem geor­tet wer­den kön­nen, sodass man genau weiß, wo der Mess­wert erfasst wurde.“

Die Mess­ku­geln sind nicht nur für die mikro­bio­lo­gi­sche Kul­tur- und Pro­zess­ent­wick­lung im Labor ide­al, son­dern könn­ten auch in der Arz­nei­mit­tel­her­stel­lung, der Umwelt­mess­tech­nik oder beim Scree­ning in der Medi­zin zum Ein­satz kommen.