DE202006008928U1

DE202006008928U1 - Miniaturchemostat

Info

Publication number: DE202006008928U1
Application number: DE200620008928
Authority: DE
Original assignee: Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Current assignee: Mueller Detlev Dipl-Ing De; Technische Universitaet Bergakademie Freiberg; Kurt Schwabe Institut fuer Mess und Sensortechnik Ev Meinsberg
Priority date: 2006-06-07
Filing date: 2006-06-07
Publication date: 2006-08-24
Anticipated expiration: 2016-06-08

Abstract

Miniaturchemostat, dadurch gekennzeichnet, dass ein thermostatisierbares wasserdichtes Behältnis (1) mit einem Deckel (12) ein am Boden befindliches Elektronikmodul (2) und einen Behälter (3) mit Deckel (13) enthält, dessen mit dem Elektronikmodul (2) geregelte Heizung auf der Mantelfläche mit Heizfolien ausgebildet ist, und der eine kalorimetrische Reaktionszelle (4) mit ebenfalls einem Deckel (14) (beide aus Kunststoff) umschließt und die für die Erfassung des Messeffektes notwendige Temperaturstabilität für (4) realisiert; die kalorimetrische Reaktionszelle weist einen Volumeninhalt von <25 ml auf und ist mit elektrochemischen Sensoren (5a, 5b), einem Bezugselement (7), einem von außerhalb angetriebenen Rührer (6), einer Absaugkapillare (15), einer Kalibrierheizung (8a), einem Temperatursensor (8b) sowie Edelstahlkapillaren zum Medientransport (9) ausgerüstet, wobei diese Kapillaren (9) von oben in die chemostatische Reaktionszelle (4) eingebracht und spiralförmig unterhalb des Deckels (12) des thermostatisierbaren Behälters (1) ausgebildet sind und eine kontinuierliche Prozessführung gestatten.

Description

Die Erfindung betrifft einen miniaturisierten Chemostaten, der konstruktiv aus einer kalorimetrischen Messzelle mit zusätzlich integrierten Chemosensoren und/oder Biosensoren besteht, welche auch nach verschiedenartigen Funktionsprinzipien arbeiten können. Der erfindungsgemäße Gegenstand findet sowohl als analytisches Instrument zur Aufklärung von Metabolismen mikrobieller Prozesse als auch als Reaktionsapparatur für die Fermentation kleinerer Stoffmengen seinen Einsatz.
Bekannte Ausführungen von Chemostaten, also von Apparaten zur unbegrenzten Vermehrung von Bakterien u. a. bei Konstanthaltung der Kulturbedingungen und der Koloniegröße durch kontinuierlichen Zufluß von Nährmedien und stetiger Abfuhr der Biomasse, besitzen in der Regel Behältergrößen von 400 ml bis zu einigen Litern [Hahn, B.; Schultz, M.; Scheffler, U.; Werner, E.; Leptien, N.; Kruess, S.; Jansen, A.-K.; Elsholz, O.; Gliem, T.; Wilhelm, B.-U.; Sowa, E.; Radeke, H.; Luttmann, R.: Production of recombinant proteins with Pichia pastoris in integrated processing, Engineering in Life Sciences (2003), 3(9), 361–370]. Neben Gaseinleitungs- und Temperierungssystemen ist die Flüssigkeitszu- und abfuhr durch entsprechende Fluidikkomponenten realisiert [DE 102004017039, DE 10322054 ]. Zum Teil ist für die o.g. Behältergrößen auch eine Chemosensorik für die Bestimmung der Wasserstoffionenaktivität und des Sauerstoffpartialdruckes in den Reaktionsmedien bekannt [ US 4680267 ]. Weitere Messgrößen können im head space oberhalb des Kulturmediums [ DE 441544 ] oder im Bypass ermittelt werden.
In einem herkömmlichen Chemostaten als definitionsgemäß selbstregulierendem System, vermehren sich allerdings die Mikroorganismen nicht in der maximal möglichen Weise. Um zu höheren Wachstumsraten zu gelangen, werden z.B. sogenannte Turbidostaten verwendet, bei denen die Mikroorganismendichte durch Messung kontinuierlich verfolgt und die Nährstoffzufuhr über ein Regelsystem nach den erhaltenen Messdaten eingestellt wird. Im Turbidostaten sind alle Nährstoffe im Überfluss vorhanden, so dass höhere Wachstumsraten erreicht werden können. Die Messung der optischen Dichte erfasst die Änderung der Gesamtzellzahl durch Streuung von Licht bei Durchtritt durch die Zellsuspension. Neben dem Nachteil der Erfassung von lebenden und toten Zellen als Gesamtzellzahl ist diese optische Methode lediglich für die Untersuchung einiger bestimmter Mikroorganismen geeignet.
Will man den physiologischen Zustand der in kleinen Volumina vorliegenden Kulturen nicht-invasiv und unabhängig von der Beschaffenheit des Kulturmediums charakterisieren und eine Aussage über die Ursachen des detektierten Verhaltens aufzeigen, muss das Zellwachstum kalorimetrisch mit dem Ziel einer Detektion der Wärmeleistung in einem stark miniaturisierten Reaktionsgefäß untersucht werden und es sind mittels ebenfalls erheblich miniaturisierter Chemo- und oder Biosensorik begleitend stoffspezifische Analysen durchzuführen.
Dies betrifft für das aerobe Wachstum den Sauerstoffgehalt im Kulturmedium, wodurch wichtige Hinweise über den Ablauf oxidativer Prozesse gegeben werden können. Desweiteren eignen sich zur Aufklärung mikrobieller Stoffwechelprozesse auch weitere spezifisch angepasste miniaturisierte Sensoren zur Bestimmung zusätzlicher Komponenten. Die Auswahl der zu integrierenden Sensoren, deren Anzahl durch die im Miniaturthermostaten begrenzten Platzverhältnisse sich auf maximal zwei beläuft, muss in Abhängigkeit des jeweiligen Stoffwechselprozesses problemspezifisch getroffen werden.
Die beschriebene Problemstellung wird mit den im Schutzanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Mit dem Schutzanspruch 2 werden die Parameter der kalorimetrischen und der elektrochemischen Messung erfasst.
Mit den im Schutzanspruch 3 aufgeführten Merkmalen wird u.a. die Problematik gelöst, auch solche Kultivierungen durchführen zu können, bei denen es zur signifikanten Bildung anderer Stoffe, wie z.B. Nitrat kommt, deren kontinuierliche quantitative Bestimmung wesentlich zur Prozessoptimierung beiträgt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind auch in den nachfolgenden Schutzansprüchen gegeben.
Mit der Weiterbildung nach Schutzanspruch 1 wird durch Schutzanspruch 4 erreicht, dass der erfindungsgemäße Miniaturchemostat in einen beim Anwender bereits vorhandenen beliebigen Thermostaten eingesetzt werden kann, der dann das für einen sicheren Betrieb des Gerätes erforderliche äußere thermostatisierbare Gefäß darstellt.
Mit dem in Schutzanspruch 5 benannten Merkmal wird die Modularität hinsichtlich elektrochemischer Sensorik für eine stabile kalorimetrische Messung gewährleistet.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden näher beschrieben.
Die 1 und 2 zeigen den Miniaturchemostaten in der Schnittdarstellung bzw. eine Detailansicht seines Innenaufbaus.
Der Miniaturchemostat besteht aus mehreren ineinander angeordneten Behältnissen. Ganz im Inneren befindet sich die kalorimetrische Reaktionszelle 4 mit einem Innenvolumen von <25 ml und dem Temperatursensor (Thermistor) 8b. Diese ist mit einem Deckel 14 versehen, der ebenso wie die Zelle 4 aus Kunststoff besteht. Umgeben ist die Reaktionszelle 4 von einem zylindrischen Behälter 3 aus Aluminium, der ebenfalls mit einem Deckel 13 versehen ist. Der Behälter 3 ist mit Heizfolien ummantelt. Ein weiteres thermostatisierbares wasserdichtes Behältnis 1 umschließt die beiden Gefäße. Das beschriebene Gebilde ist konstruktiv mit einer Auflageplatte 11 verbunden, über welche es in einen handelsüblichen Thermostaten eingebracht werden kann. Oberhalb der Auflageplatte 11 befindet sich das Elektronikmodul 10 für die elektrochemische Sensorik. In der kalorimetrischen Reaktionszelle 4 befinden sich neben dem mittig angeordneten Rührer 6, zwei elektrochemische Sensoren 5a und b zur Bestimmung des Sauerstoffpartialdrucks und des Redoxpotentials, ein Bezugselement 7, ein Kalibrierheizer 8a, ein Temperatursensor 8b, eine Absaugkapillare 15 sowie Kapillaren 9 aus Edelstahl zum Medientransport, welche oberhalb des Deckels des Heizgefäßes 13 und unterhalb des Deckels des Miniaturthermostaten 12 spiralförmig zum Wärmetausch ausgebildet sind. Die Heizungsregelung erfolgt über ein Elektronikmodul 2, welches sich am Boden des Behälters 1 befindet.
Zeichnungen
1 Ausführungsform des erfindungsgemäßen Miniaturchemostaten
2 Detailansicht des Innenaufbaus des Miniaturchemostaten

1: thermostatisierbares wasserdichtes Behältnis
2: Elektronikmodul zur Heizungsregelung
3: Behälter mit Heizmantel
4: kalorimetrische Reaktionszelle
5a: elektrochemischer Sensor 1
5b: elektrochemischer Sensor 2
6: Rührer
7: Bezugselement
8a: Kalibrierheizer
8b: Temperatursensor
9: Kapillaren zum Medientransport
10: Elektronikmodul für die elektrochemischen Sensoren
11: Auflageplatte
12: Deckel des thermostatisierbaren wasserdichten Behältnisses
13: Deckel des Behälters mit Heizmantel
14: Deckel der kalorimetrischen Reaktionszelle
15: Absaugkapillare

Claims

Miniaturchemostat, dadurch gekennzeichnet, dass ein thermostatisierbares wasserdichtes Behältnis (1) mit einem Deckel (12) ein am Boden befindliches Elektronikmodul (2) und einen Behälter (3) mit Deckel (13) enthält, dessen mit dem Elektronikmodul (2) geregelte Heizung auf der Mantelfläche mit Heizfolien ausgebildet ist, und der eine kalorimetrische Reaktionszelle (4) mit ebenfalls einem Deckel (14) (beide aus Kunststoff) umschließt und die für die Erfassung des Messeffektes notwendige Temperaturstabilität für (4) realisiert; die kalorimetrische Reaktionszelle weist einen Volumeninhalt von <25 ml auf und ist mit elektrochemischen Sensoren (5a, 5b), einem Bezugselement (7), einem von außerhalb angetriebenen Rührer (6), einer Absaugkapillare (15), einer Kalibrierheizung (8a), einem Temperatursensor (8b) sowie Edelstahlkapillaren zum Medientransport (9) ausgerüstet, wobei diese Kapillaren (9) von oben in die chemostatische Reaktionszelle (4) eingebracht und spiralförmig unterhalb des Deckels (12) des thermostatisierbaren Behälters (1) ausgebildet sind und eine kontinuierliche Prozessführung gestatten.
Miniaturchemostat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das durch den Temperatursensor (8b) erfasste thermische Signal den ablaufenden Prozess charakterisiert und durch die Kombination mit der Sensorik (5a, 5b) Möglichkeiten zur Analyse des Prozesses gegeben sind.
Miniaturchemostat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den elektrochemischen Sensoren (5a, 5b) um Sensoren zur Bestimmung des Redoxpotentials, des pH-Wertes, des Nitrat-, Sauerstoff- und Kohlendioxidgehaltes sowie der Glucosekonzentration handelt.
Miniaturchemostat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb des Behältnisses (1) eine Auflageplatte (11) vorgesehen ist, über welche das beschriebene Gesamtsystem in das außenliegende thermostatisierbare Gefäß eingehangen ist.
Miniaturchemostat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die modular eingesetzten Sensoren (5a, 5b) eine zeitkonstante thermische Leistung, unabhängig vom Messsignal aufweisen.