Validierungsstudie zu Optrode Dual™

Sauerstoff- und pH-Messungen in einem Einweg-Bioreaktor mit integrierten optischen Sensoren unter Verwendung eines konventionellen Controllers

Das Optrode Dual™ wandelt Messdaten von optischen Sensoren in elektrochemische Signale (ECS) um, die an Kontrolleinheiten für Bioreaktoren übertragen werden können. Der Benutzer kann Daten für pH-Wert und gelösten Sauerstoff in Einweg-Bioreaktoren mit integrierten chemisch-optischen Sensoren erfassen. In dieser Validierungsstudie wurde die Grundfunktionalität in einem Modellsystem charakterisiert. Das Optrode Dual verbindet erfolgreich Systeme verschiedener Hersteller. In den hier beschriebenen Tests wurde der Transmitter für Messungen in einem Kultivierungsbeutel mit integrierten Sensoren eingesetzt, bei denen pH- und DO-Profile eingestellt wurden. Die online gemessenen pH-Werte wurden mit externen Messungen verglichen. Die genaue und korrekte Funktionsweise des Optrode Dual™ -Prototyps konnte verifiziert werden.

Chemisch-optische Sensoren ermöglichen eine nicht-invasive Überwachung von Sauerstoff und pH in Bioreaktoren. Herkömmlicherweise sind die meisten Steuerungseinheiten nur für die Arbeit mit elektrochemischen Sonden ausgelegt. Aus diesem Grund hat PreSens das Optrode Dual™ entwickelt. Dieser Transmitter wandelt die Daten optischer Sensoren in elektrochemische Signale (ECS) um. Es kann an die analogen Eingänge konventioneller Controller angeschlossen werden und ermöglicht die Übertragung und Aufzeichnung von pH- und Sauerstoffwerten optischer Sensoren, die in Einweg-Bioreaktoren integriert sind, unter Verwendung der vorhandenen Ausrüstung im Labor. Das Optrode Dual™ erlaubt die Verbindung von Systemen verschiedener Hersteller, wie im folgenden Experiment gezeigt. Die optischen Sensoren, die in einem Kultivierungsbeutel angebracht waren, wurden über optische Polymerfasern mit dem Optrode Dual™ verbunden, und Daten für pH und gelösten Sauerstoff wurden an den ez-control® von Applikon übertragen (1). Das Optrode Dual™ kann einfach angeschlossen werden und bietet eine fehlersichere Kalibrierung der optischen Sensoren über 2D-Barcode-Steuerung. In den folgenden Tests wurden pH- und DO-Profile angepasst und Messdaten aufgezeichnet, um die Funktionalität des neuen Geräts zu bewerten. Online gemessene pH-Werte wurden mit Offline-Messungen verglichen, um zu überprüfen, ob die pH-Werte korrekt sind.

Material & Methoden

Der Optrode Dual™-Prototyp wurde an den ez-control® (Applikon, Niederlande) angeschlossen, der zur Datenaufzeichnung über ein Ethernet-Kabel mit einem PC verbunden war. Die Datenerfassung der pH- und DO-Messwerte wurde mit der Software BioXpert (Version 2.93.122b2) durchgeführt, wobei das Abtastintervall auf 1 Minute eingestellt wurde. Die Kalibrierung der optischen Sensoren erfolgte über das Optrode Dual™ per Barcode-Kontrolle. Barcodes für die Kalibrierung wurden mit einer speziellen Software von PreSens erstellt. Der Kultivierungsbeutel mit integrierten Sensoren wurde mit einem maximalen Arbeitsvolumen von 10 l verwendet und auf einer BioWave 20 SPS-Plattform (Wave Biotech, Schweiz) mit einer Bewegungsgeschwindigkeit von 30 U/min und einem Winkel von 7 ° platziert. Phosphatgepufferte Salzlösung (PBS) diente als Modellmedium, das auf eine konstante Temperatur von 37 ° C gebracht wurde. Luft wurde mit einem konstanten Strom von 0,5 l min^-1 (0,05 vvm) durch die ez-control®-Einheit zugeführt. Zum Einstellen der pH- und DO-Profile wurde die Luftzufuhr unterbrochen und 0,1 l min^-1 CO 2 oder 0,4 l min^-1 N₂ in den Bioreaktor geströmt. Bei einem pH-Wert von 6,4 und einer Sauerstoffkonzentration von 10 % wurde erneut Luft in den Beutel eingeleitet.

Handhabung des Optrode Dual™

Wir haben die Funktionalität des Optrode Dual™ zur Messung von pH und Sauerstoff mittels optischer Sensoren in einem Kultivierungsbeutel untersucht. Mit den mitgelieferten Kabeln kann der Transmitter einfach an den Controller angeschlossen werden. Aufgrund seiner kompakten Größe benötigt das Gerät nicht viel Platz. Die Kalibrierung wurde mit Barcodes von PreSens oder mit generierten Codes durchgeführt. Die Barcodes müssen in einer bestimmten Position vor den Barcodeleser des Optrode Dual™ gehalten werden, was etwas Übung erfordert. Barcodes, die in einem größeren Format (4 x 4 cm) gedruckt wurden, schienen für den Leser besser zu funktionieren.

Messergebnisse für pH-Profile

Abbildung 2 zeigt ein typisches pH-Profil bei Zugabe von CO₂ mit 0,2 l min^-1 zum Bioreaktor. Insgesamt wurden 5 Wiederholungen durchgeführt, aber zur besseren Übersichtlichkeit sind nur die ersten beiden Zyklen im Diagramm dargestellt. Im ersten Zyklus wurden mehr Proben für die offline pH-Messung entnommen als im zweiten Zyklus. Während des Tests waren die online und offline pH-Werte in guter Übereinstimmung. Zu Beginn wurde der pH-Wert auf einen Wert von 7,35 eingestellt, was sich in dem dramatischen Anstieg des pH-Werts zu Beginn zeigt. Bei kontinuierlicher CO₂-Zugabe fiel der pH-Wert innerhalb von 35 Minuten auf 6,47. Durch Stoppen der CO₂-Zufuhr und Einströmen von Luft mit 0,5 l min^-1 in den Bioreaktor stieg der pH-Wert innerhalb von 500 Minuten auf den Ausgangswert an. Die relative Abweichung zwischen online und offline gemessenen pH-Werten lag unter 2 %, so dass beide Methoden eine sehr gute Übereinstimmung zeigten (siehe Abb. 3).

Messergebnisse für DO-Profile

Abbildung 4 zeigt ein typisches DO-Profil bei periodischem Einströmen von N₂ in den Bioreaktor. Wiederum wurden 5 Wiederholungen der N₂-Zugabe durchgeführt, aber nur die ersten zwei Zyklen sind zur besseren Übersichtlichkeit in der graphischen Darstellung gezeigt. Zunächst wurde der Sauerstoffsensor in einer Einpunktkalibrierung auf 100 % kalibriert, wie in der Grafik zu sehen ist. Kurz danach wurde die Luftzufuhr unterbrochen und Stickstoff in den Bioreaktor geströmt, was zu einer Abnahme der Konzentration an gelöstem Sauerstoff führte. Als der Sauerstoffgehalt 10 % erreichte, strömte Luft erneut in den Bioreaktor. Es dauerte ungefähr 90 Minuten, bis das Modellmedium vollständig gesättigt war. Dieser Zyklus konnte in den folgenden Wiederholungen reproduziert werden. Die Zeiten, die benötigt wurden, um den oberen und unteren DO-Wert (10 % und 100 %) zu erreichen, variierten nur in einem Bereich von 3 Minuten, wobei das Abtastintervall auf 1 Minute eingestellt war. Geringe Schwankungen könnten durch Fluktuationen in der Gasversorgung verursacht worden sein, die mit Rotametern realisiert wurden. Referenzmessungen mit einem anderen System wurden während dieses Tests nicht durchgeführt.

Zusammenfassung

Die Funktionsweise des Optrode Dual™ in Kombination mit einem Kultivierungsbeutel mit integrierten optischen Sensoren und einem konventionellen Controller wurde evaluiert. Es lieferte korrekte Messwerte, wenn es an die im Beutel integrierten optischen Sensoren angeschlossen wurde. Während der gesamten Testzeit konnten keine funktionalen oder technischen Probleme mit dem Messgerät festgestellt werden. Das Anschließen des kompakten Gerätes dauert nur wenige Minuten und ermöglicht den Aufbau eines neuen Überwachungs-Setups aus Geräten verschiedener Hersteller. Das Optrode Dual™  hat sich als sehr nützliches Werkzeug zur Prozessüberwachung in Einweg-Bioreaktoren erwiesen.