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Nicht-invasives pH Monitoring in anaerober Clostridium Kultur
Evaluierung des pH Sensorspots SP-LG1 in niedrigem pH-Bereich
Nikola Naschitzki
Beuth Hochschule für Technik, Berlin, Deutschland
Ein Prototyp pH Sensorspot vom Typ LG1 wurde in eine geschlossene, gasdichte Kulturflasche integriert um eine anaerobe Clostridium acetobutylicum Kultur zu überwachen. Der Sensor erlaubte es nicht-invasiv durch die Flaschenwand hindurch zu messen. Wir testeten, ob der Sensor in niedrigem pH-Bereich bis zu pH 3.5 ausreichend genaue Messwerte liefert. Dazu wurden die Messungen in der anaeroben Kultur mit Referenzwerten, die mit einer pH-Laborsonde ermittelt wurden, verglichen. Obwohl die Kontrollsoftware Probleme verursachte, war es möglich Messdaten zu erhalten, so dass sie mit den Referenzmessungen verglichen werden konnten. Die Werte des pH Sensorspots waren in einem Bereich von pH 6.0 - 3.48 ausreichend genau mit einer mittleren Abweichung von 0.14 von den Referenzwerten.
Die biotechnologische Bedeutung von C. acetobutylicum liegt vor allem in seiner Fähigkeit Aceton, Butanol und Ethanol über Fermentation zu produzieren (ABE-Fermentation). In dieser Studie wurde die Bakterienkultur unter anaeroben Bedingungen gehalten und der pH mit einem optischen Messsystem überwacht. Das nicht-invasive Messprinzip optischer Sensoren ist ideal für die Überwachung von Fermentationsprozessen geeignet, da der Kulturbehälter nicht geöffnet werden muss und somit verhindert werden kann, dass es versehentlich zu Sauerstoffeintrag kommt. Darüber hinaus, kann mit diesem System der pH-Verlauf in der Kultur online während des ganzen Prozesses verfolgt werden. Neue Prototyp pH Sensorspots von PreSens mit einem breiten Messbereich wurden zusammen mit einem pH-1 SMA LG1 Modul verwendet um in einer geschlossenen, gasdichten Flasche mit C. acetobutylicum zu messen. Da der pH während der Fermentation auf Werte bis zu pH 3.5 abfallen kann und dieser Sensor noch nicht unter solchen Bedingungen getestet worden ist, wurde seine Genauigkeit durch Vergleich mit Referenzwerten einer Laborsonde beurteilt.
Material & Methoden
Clostridium acetobutylicum DSM 792 wurde in anaerobem Clostridium Growth Medium (CGM, Medienzusammensetzung in Tab.1) in einer geschlossenen, gasdichten Glasflasche kultiviert. Die anaerobe Kultivierung wurde in einem Inkubator bei 37 °C und ohne Schütteln durchgeführt. Der pH Sensorspot (SP-LG1) wurde an der Innenwand der Flasche nahe des Bodens befestigt (Abb. 1A). Der Sensor wurde von außen über eine optische Polymerfaser ausgelesen, die mit einem Klettverschluss-Adapter (Adapter for Round Containers ARC, Abb. 1B) in Position gehalten wurde. Die Faser wurde durch die Dichtung des Inkubators nach außen geführt und an das pH-1 SMA LG1 Modul angeschlossen (Abb. 2). Das Messsystem wurde mit der pH-1 View EOM Software (Version 1.2.6.0 und 1.2.2.0) gesteuert. Für spätere Versuche wurde ComLog 11 verwendet um direkten Zugriff auf die Messeinheit zu erlangen und die Daten direkt auszulesen.
pH Monitoring während ABE-Fermentation
Während der ersten Versuche mit dem optischen pH Messsystem traten verschiedene Fehler bei der pH-1 View EOM Software auf. Daher wurde beschlossen ComLog 11 zu verwenden um damit direkt auf die Messeinheit zugreifen zu können. So war es möglich die Messdaten aufzuzeichnen, jedoch lieferte dieser Software keine graphische Darstellung der pH-Veränderung.
Abbildung 3 zeigt die Messwerte des Prototyp pH Sensors im Vergleich mit der pH-Laborsonde in C. acetobutylicum Kultur über 186 Stunden. Nach 22 Stunden wurde der pH in der Kultur durch Zugabe von CaCO3 korrigiert. Zu diesem Zeitpunkt zeigten die mit dem Sensorspot gemessenen Werte die größte Abweichung von den Referenzwerten. Das lag möglicherweise daran, dass sich der Sensor noch nicht ausreichend an den neu eingestellten pH im Kulturmedium angeglichen hatte. Bei den folgenden Messungen stimmten die Messwerte des Sensorspots sehr gut mit denen der pH-Referenzsonde überein, mit einer mittleren Abweichung von 0.14. Daraus können wir folgern, dass der Sensor in einem Bereich von pH 6 bis pH 3.84 genaue Messwerte lieferte.
Zusammenfassung
Das nicht-invasive pH Messsystem und der Prototyp Sensorspot SP-LG1 sind sehr gut für diese Art von Anwendungen geeignet. Es ist extrem vorteilhaft durch die Gefäßwand messen und so anaerobe Bedingungen aufrecht erhalten zu können. In den hier beschriebenen Tests konnten wir zeigen, dass der Sensor auch im niedrigen pH-Bereich genaue Messdaten liefert. Dennoch müsste die Software besser an das Prototyp-Messsystem angepasst werden. Momentan wird bereits daran gearbeitet dieses Messsystem mit einer neuen Version der PreSens Measurement Studio 2 Software steuern zu können.