DE3702501A1 - Sterilisierbare ph-messkette zur ueberwachung mikrobiologischer prozesse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine sterilisierbare pH-Messkette ge­ mäss Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Für die Überwachung mikrobiologischer Prozesse in der Bio­ technologie werden in zunehmendem Masse elektrochemische Zel­ len für die Messung von Ionenaktivitäten, insbesondere der H-Ionenaktivität, eingesetzt. Derartige elektrochemische Zel­ len bestehen aus einer Messelektrode und aus einer Bezugselek­ trode, wobei diese getrennt ausgebildet und über eine Brücke verbunden sein oder in Form einer Einstabmesskette vorliegen können. Wesentliche Voraussetzung für eine einwandfreie Pro­ zessüberwachung ist, dass die Bezugselektrode, die ein elektrochemisches Halbelement oder eine Halbzelle sein kann, eine stabile und reproduzierbare elektrische Spannung liefert. Es sind zahlreiche Bezugselektroden in vielfältiger Ausgestaltung bekannt. Sie bestehen ganz allgemein aus einem Ableitelement in Form einer Elektrode zweiter Art, die in einen Bezugselektrolyten in der Regel eine konzentrierte Kali­ umchloridlösung, eintaucht. Der Bezugselektrolyt befindet sich dabei in einem Behälter, der von einem Gehäuse aus elek­ trisch nicht leitendem Material, wie Glas oder Kunststoff, ge­ bildet wird. Der elektrolytische Kontakt zwischen dem Ableit­ element der Bezugselektrode und dem Messmedium, allgemein eine Lösung oder Suspension des zu untersuchenden Messgutes in Wasser, erfolgt durch ein in der Gehäusewand angeordne­ tes Diaphragma, z.B. ein poröser Keramikstift. Durch eine Verschmutzung des Diaphragmas durch das Messmedium oder durch das Eindringen von Messmedium in den Bezugselektrolyten und dessen Verdünnung durch das Messmedium kann es zu einer un­ kontrollierbaren Spannungsänderung und damit zu einer Ver­ fälschung der Messwerte kommen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn sich die Messungen über einen längeren Zeit­ raum erstrecken oder öfters wiederholt werden. Um das Ein­ dringen von Messmedium durch das Diphragma in den Bezugs­ elektrolyten zu verhindern, werden häufig Druckmessgeber ein­ gesetzt, um zu erreichen, dass in dem Bezugselektrolyten ein Druck aufrecht erhalten wird, der höher ist als derjenige des Messmediums. Dabei wird meist mit einem Überdruck von 0,2 bis 0,5 bar gearbeitet. Dies kann erreicht werden, indem die Messkette in eine Druckkammer eingebaut und mit Druckluft beaufschlagt wird. Da jedoch in der Biotechnologie strenge Anforderungen an die Sterilität gestellt werden, ist es er­ forderlich, dass alle in einen Bioreaktor einzubauenden Mess­ ketten den Bedingungen einer Dampfsterilisation, bei der Tem­ peraturen bis zu 135°C und Drücke bis 2 bar auftreten, stand­ halten. Derartige Druckmessgeber erfordern eine gewisse War­ tung, wie Nachfüllen von Bezugselektrolyt, Druckbeaufschla­ gung und Einfetten von Dichtungen, z.B. O-Ringen. Bei falscher oder unterlassener Wartung können Fehlmessungen auf­ treten, da die Stabilität der Bezugelektrode nicht mehr ge­ währleistet ist. Um diese Nachteile zu vermeiden, sind Mess­ ketten entwickelt worden, bei denen der Bezugselektrolyt, z.B. eine 3- oder 4-molare Kaliumchloridlösung, in Form eines Gels vorliegt oder mit einem Verdickungsmittel, wie hoch­ disperse Kieselsäure, verdickt ist. In diesem Falle ist das zur Aufnahme des Bezugselektrolyten bestimmte Gehäuse voll­ ständig mit dem Gel oder der verdickten Kaliumchloridlösung ausgefüllt und weist keine Nachfüllöffnung auf. Da das Gel oder die verdickte Kaliumchloridlösung einen verhältnismässig hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, ist Glas als Behältermaterial ungeeignet. Einen gelartigen Elektroly­ ten enthaltende Bezugselektroden weisen deshalb mehrheitlich ein Gehäuse aus Kunststoff auf. Kunststoffe enthalten aber organische Substanzen, z.B. Weichmacher, die insbesondere bei erhöhter Temperatur in die Messlösung diffundieren können. Diese Substanzen können das Wachstum von Zellen oder Mikro­ organismen negativ beeinflussen, was insbesondere bei genetisch manipulierten Organismen kritisch ist. Die Abgabe der genannten organischen Substanzen wirkt sich insbesondere bei kleinen Bioreaktoren, wie sie aufgrund des steigenden Kostenaufwandes für die Forschung in der Biotechnologie in zunehmendem Masse zum Einsatz kommen, nachteilig aus. Aus diesem Grunde wird Glas als Material für das Gehäuse bevor­ zugt. Bei Bezugselektroden oder Messketten, bei denen das Gehäuse aus Glas besteht, muss im Raum der Bezugselektrode immer ein Gaspolster vorhanden sein, welches die thermische Ausdehnung des gelartigen oder verdickten Elektrolyten er­ möglicht. Stehen derartige Bezugselektroden oder Messketten unter Druck, z.B. während der Sterilisation, so wird Messmedi­ um durch das Diaphragma in den Bezugselektrolyten gepresst und verändert dessen Beschaffenheit. Dies ist aus den oben erwähnten Gründen unerwünscht. Das Eindringen von Messmedium durch das Diaphragma kann bei derartigen Bezugselektroden oder Messketten vermieden werden, wenn diese von oben in den Bioreaktor eingeführt werden und eine in das Luftpolster ein­ mündende Einfüllöffnung für den Bezugselektrolyten aufweisen, da in diesem Fall ein Druckausgleich zwischen dem Messmedium und dem Bezugselektrolyten gewährleistet ist. Nachteilig wirkt sich dabei die Einfüllöffnung aus, da in den Bioreakto­ ren meist eine turbulente Strömung, die mit der Bildung von Schaum verbunden sein kann, herrscht. Dabei tritt das Mess­ medium in Form von Spritzern oder Schaum durch die Einfüllöff­ nung in den Raum der Bezugselektrode ein und führt in gleicher Weise wie das Eindringen durch das Diaphragma zu einer Veränderung, insbesondere Verdünnung, des Bezugselektro­ lyten und damit zu einer Beeinträchtigung der Messgenauigkeit.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine sterilisierbare Messkette zu schaffen, deren Abmessungen den Einbau in kleine Bioreak­ toren gestatten und die zuverlässige Messwerte liefert. Dabei soll die Messkette frei von den oben erwähnten Nachteilen sein, wobei insbesondere das Eindringen von Messmedium in den Bezugselektrolyten, sei es durch das Diaphragma oder durch die Einfüllöffnung für den Bezugselektrolyten, ebenso ausgeschlossen sein soll, wie das Aussondern von organischen Substanzen aus dem Gehäusematerial in das Messmedium. Darüber hinaus soll die Messkette wartungsfrei über einen längeren Zeitraum oder zu wiederholten Malen eingesetzt werden können und den Bedingungen der Dampfsterilisation ohne Beeinträchti­ gung der Messgenauigkeit Stand halten.

Die gestellte Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 definierte sterilisierbare pH-Messkette gelöst.

Die beschriebene Messkette wird allen Anforderungen, die bei der Überwachung mikrobiologischer Prozesse gestellt werden, gerecht, d.h. ein Eindringen von Messmedium in den Bezugs­ elektrolyten wird durch den in der Bezugselektrode herrschen­ den Druck vollständig unterbunden. Ausserdem ist das rohr­ förmige Gehäuse allseitig fest verschlossen und weist keine Einfüllöffnung auf, so dass auch auf diesem Wege ein Eindrin­ gen von Messmedium in den Bezugselektrodenraum ausgeschlossen ist. Schliesslich besteht das rohrförmige Gehäuse aus Glas, so dass auch bei hohen Temperaturen eine Verunreinigung des Messmediums durch aus dem Gehäusematerial diffundierende orga­ nische Substanzen ausgeschlossen ist. Die beschriebene pH- Messkette ist wartungsfrei und liefert auch bei häufiger Sterilisation und lang dauerndem Einsatz stabile und reprodu­ zierbare Messwerte.

Besondere Ausbildungen der pH-Messkette sind in den An­ sprüchen 2 bis 8 umschrieben.

Die in Anspruch 2 beschriebene Ausbildung der Messkette ist besonders vorteilhaft für den Einsatz in kleinen Bioreakto­ ren. Das im Einzelfall einzustellende Verhältnis dieser Volu­ mina kann rechnerisch ermittelt werden und richtet sich nach den Abmessungen der Messkette, der Viskosität des gelartigen Bezugselektrolyten und der Porosität des Diaphragmas.

Die Ausbildung nach Anspruch 3 ist besonders kostengünstig und hat den Vorteil, dass Druckluft überall ohne Schwierig­ keiten verfügbar ist. Es sind jedoch auch andere Gase verwend­ bar, sofern sie sich unter den bei der Sterilisation und der Messung herrschenden Bedingungen gegenüber dem Bezugselektro­ lyten inert verhalten.

Durch die Ausbildung gemäss Anspruch 4 wird gewährleistet, dass ein Eindringen von Messmedium durch das Diaphragma in den Bezugselektrolyten vollständig unterbunden wird, da der Druck des Messmediums im allgemeinen 0,5 bar nicht übersteigt.

Die Ausbildung nach Anspruch 5 stellt eine besonders einfache Lösung dar und erlaubt einen einfachen und dauerhaften Ver­ schluss nach erfolgter Gaszuführung, da die Platinkapillare durch einfaches Abquetschen mit einer Zange gasdicht ver­ schlossen werden kann. Überdies ist diese Kombination der Materialien Glas und Platin von Vorteil, da ein Einschmelzen der Platinkapillare in die Wandung des aus Glas bestehenden rohrförmigen Gehäuses gemäss Anspruch 6 ohne Schwierigkeiten durchzuführen ist und eine gasdichte Verbindung ergibt.

Die Ausbildung nach Anspruch 7 erlaubt einen risikolosen Transport der pH-Messkette ohne besondere Vorsichtsmass­ nahmen, da das Schaumstoffkissen ein Eindringen des Bezugs­ elektrolyten in den das Gas enthaltenden Hohlraum unterbindet.

Die Ausbildung nach Anspruch 8 ermöglicht eine mehrmalige Dampfsterilisation der pH-Messkette, da die dabei zur Anwen­ dung gelangenden Temperaturen keine Denaturierung des Bezugs­ elektrolyten und insbesondere des Verdickungsmittels bewirken können. Die Wahl des eim Einzelfall einzusetzenden Ver­ dickungsmittels richtet sich insbesondere nach der Zusammen­ setzung des Elektrolyten und der geforderten Viskosität. Da im allgemeinen als Bezugselektrolyt 3- bis 4-molare Kalium­ chloridlösungen eingesetzt werden, eignen sich als Ver­ dickungsmittel Acrylamide, Methacrylamide, Kieselsäure, hydroxylierte Cellulosen und Polysaccharide.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Figur beschrieben. Diese zeigt eine als Einstabmesskette ausgebil­ dete pH-Messkette im Längsschnitt.

Die Figur zeigt eine sterilisierbare pH-Messkette 2 mit einem rohrförmigen Gehäuse 4 aus Glas, z.B. Jenaer Geräteglas. Das rohrförmige Gehäuse 4 weist zwei konzentrisch angeordnete Kammern auf, wobei eine innere Kammer 6 von einer kon­ zentrisch angeordneten äusseren ringförmigen Kammer 8 umgeben ist. Die innere Kammer 6, die im oberen Bereich durch die Abschmelzung 10 verschlossen ist und im unteren, über die ringförmige Kammer 8 hinausragenden, Bereich eine Membran 12 aus ionenselektivem Glas aufweist, bildet die eigentliche Messelektrode und ist mit einem Ableitelement 14 für die Mess­ elektrode ausgestattet. Das Ableitelement 14 ist mit einer durch die Abschmelzung 10 nach aussen führenden Leitung 16 verbunden. Die ringförmige Kammer 8 bildet die eigentliche Bezugselektrode aus Bezugselektrolyt 18 und Ableitelement 20, wobei letzteres mit einer nach aussen führenden Leitung 22 verbunden ist. Im unteren Abschnitt 24 des rohrförmigen Ge­ häuses 4 befindet sich ein Diaphragma 26, in der Regel ein Keramikstift, über das der in der Kammer 8 befindliche Bezugs­ elektrolyt 18 mit einem Messmedium 28, in das die Messkette 2 mindestens teilweise eintaucht, in Berührung gebracht werden kann. Im oberen Abschnitt 30 des Gehäuses 4 findet sich in der ringförmigen Kammer 8 ein Hohlraum 32 zur Aufnahme eines unter Druck stehenden Gases, z.B. Druckluft. In den Hohlraum 32 mündet eine Zuführung 34 für das Gas ein. Die Zuführung 34 ist vorteilhafterweise eine Platinkapillare mit einem Aussen­ durchmesser von 0,3 bis 0,5 mm. Diese Platinkapillare ist durch Einschmelzen in die Wandung des Gehäuses 4 an der Schmelzstelle 36, gasdicht befestigt. Nach erfolgter Druckbe­ aufschlagung, d.h. dem Zuführen des unter Druck stehenden Gases, kann die als Zuführung dienende Platinkapillare durch einfaches Abquetschen mit einer Zange an der Quetschstelle 38 gasdicht verschlossen werden. In der ringförmigen Kammer 8 befindet sich zwischen dem Bezugselektrolyten 18 und dem Hohl­ raum 32 ein Schaumstoffkissen 40, das den Bezugselektrolyten 18 abdeckt und an die Wandungen der Kammer 8 anliegt, wodurch ein Ausfliessen des Bezugslektrolyten beim Transport der pH-Messkette 2 vermieden werden kann.

Zur Überprüfung der Druckstabilität wurde eine pH-Messkette einem Langzeitversuch, der sich über 18 Monate erstreckte, unterworfen. Dazu wurde eine sterilisierbare pH-Messkette 2 mit einem Aussendurchmesser von 12 mm und einer Länge von 120 mm verwendet. Als Bezugselektrolyt 18 wurde eine 3- bis 4-molare Kaliumchloridlösung verwendet, die als Verdickungs­ mittel eine Acrylamid enthielt und eine Viskosität von an­ nähernd 10 Pascalsekunden aufwies. Anstelle des Acrylamids können auch andere Verdickungsmittel wie Methacrylamide, Kieselsäure, hydroxylierte Cellulosen und Polysaccharide ver­ wendet werden. Bei der Auswahl der Verdickungsmittel ist allein darauf zu achten, dass sie mit dem Salz der Elektrolyt­ lösung verträglich und bei den bei der Sterilisation auf­ tretenden Temperaturen von bis zu 135°C beständig sind. Das Volumen des gelierten Bezugselektrolyten 18 betrug 4,6 ml. Der in der Kammer 8 befindliche Bezugselektrolyt 18 wurde mit einem Schaumstoffkissen 40 mit einer Dicke von annähernd 2 mm abgedeckt. Durch das Schaumstoffkissen 40 sollte ein Ein­ dringen des Bezugselektrolyten 18 in den Hohlraum 32 in der Kammer 8 beim Transport der Messkette vermieden werden. In den Hohlraum 32, dessen Volumen annähernd 3,3 ml betrug, wur­ de über die in die Wandung des Gehäuses 4 eingeschmolzene Platinkapillare 34, mit einem Aussendurchmesser von 0,3 mm, Druckluft eingeführt, bis der Innendruck im Hohlaum 32 maxi­ mal 4 bar betrug. Dann wurde die Platinkapillare an der Quetschstelle 38 mit einer Zange abgequetscht und so gasdicht verschlossen. Da stets ein kleiner aber von Null verschiede­ ner Druchfluss des gelartigen Bezugselektrolyten 18 durch das Diaphragma 26 in das Messmedium 28 stattfindet, wurde als Diaphragma 26 ein Keramikstift mit einer mittleren Poren­ größe von 1 µm verwendet. Für die Wahl des Diaphragmas wurde die bekannte Abhängigkeit der Druchflussmenge des Bezugs­ elektrolyten von seiner Viskosität und den geometrischen Parameter des Diaphragmas als Parameter verwendet, wobei vorge­ geben wurde, dass der Durchfluss des gelartigen Bezugselekto­ lyten 18 durch das Diaphragma 0,2 ml pro Monat bei einem Überdruck von 1 bar in der Kammer 8 beträgt. Auf diese Weise ist es im Einzelfall möglich die Parameter der Messkette, wie Abmessungen des Gehäuses, Viskosität des Bezugselektrolyten, Porosität des Diaphragmas, Volumenverhältnis von Bezugs­ elektrolyt zu Gas rechnerisch zu ermitteln und auf den je­ weiligen Verwendungszweck abzustimmen. Dabei gilt die Regel, dass für kleinere Messketten, wie sie für den Einsatz in sehr kleinen Bioreaktoren erforderlich sind, weniger poröse Dia­ phragmen oder höherviskose Bezugselektrolyten einzusetzen sind.

Bei dem beschriebenen Langzeitversuch zeigte sich, dass die Messkette 2 auch nach mehrmaliger Sterilisation einen Innen­ druck in der Kammer 8 von mindestens 0,5 bar aufwies. Dadurch wurde das Eindringen von Messmedium in den Bezugselektrolyten 18 und damit seine Veränderung vollständig unterbunden. Dies zeigte sich im besonderen durch die Lieferung stabiler und reproduzierbarer Spannungswerte.

• Bezugszeichenliste  2 pH-Messkette
   4 Gehäuse
   6 innere Kammer
   8 ringförmige Kammer
  10 Abschmelzung
  12 Membran
  14 Ableitelement für Messelektrode
  16 Leitung
  18 Bezugselektrolyt
  20 Ableitelement für Bezugselektrode
  22 Leitung
  24 unterer Abschnitt
  26 Diaphragma
  28 Messmedium
  30 oberer Abschnitt
  32 Hohlraum
  34 Zuführung
  36 Schmelzstelle
  38 Quetschstelle
  40 Schaumstoffkissen

Claims (8)

1. Sterilisierbare pH-Messkette zur Überwachung mikrobio­ logischer Prozesse mit einer Messelektrode und einer Be­ zugselektrode in einem geschlossenen rohrförmigen Gehäuse aus Glas, das eine innere Kammer mit einem Ableitsystem für die Messelektrode und einer ionenselektiven Membran und eine konzentrisch angeordnete ringförmige äussere Kammer zur Aufnahme eines gelartigen Bezugselektrolyten und eines Ableitsystems für die Bezugselektrode aufweist, wobei der Bezugselektrolyt über ein im unteren, in ein in einem Bioreaktor befindliches Messmedium eintauchenden, Abschnitt des rohrförmigen Gehäuses angeordnetes Diaphrag­ ma mit dem Messmedium in Berührung gebracht werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb des Bezugselektro­ lyten (18) in der ringförmigen Kammer (8) im Abschnitt (30) des rohrförmigen Gehäuses (4) ein Hohlraum (32) ange­ ordnet ist, in dem sich ein unter Druck stehendes Gas befindet, das mit dem Bezugselektrolyten (18) in Verbin­ dung steht und durch das in der Kammer (8) des rohrförmi­ gen Gehäuses (4) ein Innendruck aufrechterhalten werden kann, der grösser ist als der Druck des Messmediums (28), und dass in den Hohlraum (32) eine gasdicht in der Wandung des Gehäuses (4) befestigte Zuführung (34) für das Gas einmündet, die gasdicht verschliessbar ist.

2. pH-Messkette nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen des Hohlraumes (32) annähernd zwei Drittel des Volumen des Bezugselektrolyten (18) beträgt.

3. pH-Messkette nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, dass das im Hohlraum (32) befindliche Gas Druck­ luft ist.

4. pH-Messkette nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendruck in der Kammer (8) des rohrförmigen Gehäuses (4) 0,5 bis 4 bar beträgt.

5. pH-Messkette nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung (34) eine Platinkapil­ lare, vorzugsweise mit einem Aussendurchmesser von 0,3 bis 0,5 mm, ist.

6. pH-Messkette nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Platinkapillare in die Wandung des rohrförmigen Gehäuses (4) eingeschmolzen ist.

7. pH-Messkette nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb des Bezugselektrolyten (18) ein Schaumstoffkissen (40) angeordnet ist, das den Bezugs­ elektrolyten abdeckt und sich bis an die Wandungen der Kammer (8) des Gehäuses (4) erstreckt.

8. pH-Messkette nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Bezugselektrolyt (18) ein hitze­ beständiges Verdickungsmittel enthält.