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kLa Bestimmung in Schüttelkolben

Hier erfahren Sie was der kLa ist, welche Methoden es gibt ihn zu bestimmen und welche möglichen Messaufbauten Ihnen PreSens dazu anbietet.

kLa Bestimmung in Schüttelkolben

Der kLa ist ein Maß für die Belüftungskapazität eines Bioreaktorsystems für einen gegebenen Satz von Betriebsbedingungen. Er wird in der Einheit [h-1] angegeben. Ein größerer kLa-Wert zeigt eine höhere Belüftungskapazität des Bioreaktorsystems an. Der kLa in Schüttelkolben hängt von verschiedenen Faktoren ab, von denen das angewandte Volumen und die Schüttelgeschwindigkeit am wichtigsten sind. Weitere Parameter wie Temperatur und Medienzusammensetzung können ebenfalls den kLa beeinflussen, allerdings nur in vernachlässigbarem Umfang. Sie können den kLa-Wert für Ihre Schüttelkolben in Ihren spezifischen Betriebsbedingungen entweder mit der Ausgasungsmethode ermitteln oder, wenn eine Ausgasung nicht möglich ist und für Puffer, die Sulfit-Methode.

Ausgasungsmethode

Dieses Verfahren basiert auf der Überwachung des Anstiegs der gelösten Sauerstoffkonzentration einer Lösung während belüftet und die Flüssigkeit bewegt wird. Die Sauerstofftransferrate (OTR) wird während der Belüftungsperiode abnehmen, wenn die Konzentration des gelösten Sauerstoffs in der Flüssigkeit ([O2]L) die Sättigungskonzentration ([O2]*) erreicht.

  1. Bereiten Sie einen Kolben desselben Typs und derselben Größe vor und füllen Sie ihn mit dem gleichen Volumen an Kulturmedium oder destilliertem Wasser, wie Sie sie später für Ihre Kulturüberwachung verwenden werden. Stellen Sie ihn in Ihren Schüttelinkubator, führen Sie die entsprechende O2 Sensorkalibrierung durch und starten Sie die Sauerstoffüberwachung.

  2. Verringern Sie den Sauerstoffgehalt in der Flüssigkeit durch Begasen mit Stickstoff.

  3. Wenn der Sauerstoff in der Flüssigkeit entfernt ist, beenden Sie die Begasung mit Stickstoff und ersetzen den Stickstoff im Kopfraum durch Luft. Starten Sie die Belüftung durch Bewegen der Flüssigkeit. Die Bewegungsgeschwindigkeit sollte der Schüttelrate entsprechen, die Sie in den folgenden Kulturüberwachungsexperimenten verwenden werden. Überwachen Sie den Anstieg der gelösten Sauerstoffkonzentration.

  4. Der Anstieg der gelösten Sauerstoffkonzentration ist gegeben durch:

    d [O2]L / d t = kLa ([O2]* - [O2]L)

    Logarithmus nach Integration der Gleichung ergibt:

    ln ([O2]* - [O2]L) = - kLa * t

    Tragen Sie ln ([O2]* - [O2]L) gegen die Belüftungszeit auf, was eine gerade Linie ergibt (siehe Abb. links). Die Steigung des Graphen ist gleich – kLa.

Sulfit-Methode

Diese Methode wird verwendet, wenn kLa in Puffer ermittelt werden soll. Sie wird nicht für die kLa-Bestimmung in organischen Medien empfohlen (für die kLa-Bestimmung in Medien verwenden Sie die oben beschriebene Ausgasungsmethode).

  1. Füllen Sie Ihren Kolben mit Puffer, bis 90 % Ihres späteren experimentellen Füllvolumens erreicht sind.

  2. Bereiten Sie die Zugabelösung durch Lösen von 10 g Natriumsulfit (Na2SO3) und 500 µl Kobaltnitrat(CO(NO3)2)-Standardlösung (p(CO) = 1000 mg/l; in Salpetersäure 0,5 mol/l) in 100 ml Wasser vor.

  3. Stellen Sie den Kolben in den Schüttelinkubator und warten Sie, bis der Puffer sich angeglichen hat. Führen Sie die O2 Sensorkalibrierung bei 100 % Luftsättigung durch und starten Sie die Sauerstoffüberwachung.

  4. Fügen Sie 10 % der Menge Ihres Füllvolumens an Zusatzlösung (siehe Nr. 2) zum Puffer hinzu. Das Natriumsulfit verbraucht den Sauerstoff im Puffer, und Sie können eine Abnahme der Sauerstoffkonzentration beobachten.

  5. Beginnen Sie dann mit dem Bewegen der Flüssigkeit und messen Sie die Sauerstoffkonzentration mit einer schnellen Messrate. Die Bewegungsgeschwindigkeit sollte der Schüttelrate entsprechen, die Sie im folgenden Kulturüberwachungsexperiment verwenden werden. Nachdem alles Natriumsulfit oxidiert ist, wird der gelöste Sauerstoff ansteigen. Überwachen Sie den Anstieg der gelösten Sauerstoffkonzentration, bis Ihre Anfangskonzentration erreicht ist.

  6. Der Anstieg der gelösten Sauerstoffkonzentration ist gegeben durch:

    d [O2]L / d t = kLa ([O2]* - [O2]L)

    Logarithmus nach Integration der Gleichung ergibt:

    ln ([O2]* - [O2]L) = - kLa * t

    Tragen Sie ln ([O2]* - [O2]L) gegen die Belüftungszeit auf, was eine gerade Linie ergibt (siehe Abb. links). Die Steigung des Graphen ist gleich – kLa.

Mehrkanal-Aufbau zur Bestimmung des kLa in Erlenmeyerkolben

Mit chemisch-optischen Sensoren ist es einfach, Sauerstoff in Schüttelkolben zu überwachen. Wie im Methodenteil bereits beschrieben, wir der kLa-Wert aus der Sauerstoffänderung in den Erlenmeyer-Kolben über die Zeit berechnet. PreSens bietet zwei verschiedene Systeme an (Abbildungen unten): Den SFR vario, der O2, pH, Biomasse und optional CO2 gleichzeitig misst, und der SFR Shake Flask Reader, der pH und Sauerstoff in bis zu 9 Kolben misst. Die Steuerungssoftware vom SFR vario erlaubt den gleichzeitigen Betrieb von bis zu 4 Geräten, so dass bis zu 4 Kolben parallel ausgelesen werden können. Mit dem SFR Shake Flask Reader können bis zu 7 Systeme miteinander verbunden werden, so dass insgesamt bis zu 63 Kolben gleichzeitig überwacht werden können. Beide Messsysteme bieten eine automatische OUR-Berechnung und können zur Überwachung in Erlenmeyerkolben, Kultivierungsröhrchen, oder T-flasks verwendet werden.

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