Sens-o-Spheres III - Charakterisierung von neuartigen Bioreaktorsystemen durch orts- und zeitaufgelöste Aufnahme von Prozessmesssignalen mit mobilen, miniaturisierten Sensoren

Sensoren sind in extremer Vielfalt zur Steuerung und Überwachung von Bioprozessen im Einsatz. Typische stabförmige Sensorelektroden werden über einen Standard-Port in den Bioreaktor eingebracht und repräsentieren einen Messwert an nur einer Stelle des Reaktors. Daher können Informationen über Prozessparameter, die inhomogen verteilt sind, nicht erfasst werden. Dies kann zur Wahl von suboptimalen Prozesskontrollparametern führen und Ergebnisse negativ beeinflussen. Darüber hinaus kann der Zugang für Sensoren hinsichtlich der Sterilität des Prozesses zu Problemen führen, wenn die Prozessüberwachung für das Reaktorsystem konstruktiv nicht vorgesehen ist. Ein Beispiel für einen derartigen Reaktor ist der oft verwendete Erlenmeyerkolben.

Sens-o-Spheres Konzept — Abb. 1: Sens-o-Spheres Applikationsszenarien.

Ziel des Projekts ist die Weiterentwicklung ortsunabhängiger, voll autarker, minimal invasiver Mikrosensoren, der so genannten Sens-o-Spheres, um diesen Problemen zu begegnen. Neben der Möglichkeit zur Ortung der Mikrosensoren soll zusätzlich zur Temperaturmessung auch die Messung der Prozessgrößen pH-Wert und gelöster Sauerstoff realisiert werden. Die Messkugel besteht dazu aus einer funktionell integrierten Antenne innerhalb der Kapselung, welche für die Verwendung in biotechnologischen Prozessen geeignet ist, einem Mikrocontroller zur Funktionskoordination und einer wiederaufladbaren Energieversorgung.

SoS Konzept neu — Abb. 2: Sens-o-Spheres Konzept.

Diese kugelförmige Messvorrichtung bewegt sich mit der Fluidbewegung durch das Prozessvolumen und überträgt die erfassten Messwerte drahtlos über Radiofrequenzwellen zu einem externen Empfänger, welcher das aufgezeichnete Signal in das Prozessleitsystem speist. Aufgrund der geringen Abmessungen der Sens-o-Spheres können sie sowohl in Laborfermentern mit einem Volumen von mehreren Litern als auch in Well-plates Verwendung finden. Da sich die Sensoren mit der Fluidbewegung im biotechnologischen Prozess mitbewegen, werden die Misch- und Transportprozesse nicht beeinflusst. Ein weiterer Vorteil dieses Konzeptes ist, dass die Keimbarriere der Reaktorwandung nicht durch das Einbringen von Sensoren verletzt wird und somit die Kontaminationsgefahr gesenkt werden kann. Zudem ist Einbringen mehrerer Sensoren durch einfaches Numbering-up möglich, da der externe Empfänger von mehreren Sens-o-Spheres im Prozess angesteuert werden kann.

Videobeitrag auf bioökonomie.de: Mini-Messkugeln für Bioreaktoren