04/12/2017
Door Ad Spijkers
Onderzoekers van het Fraunhofer-Institutfür Elektronische Nanosysteme (ENAS) hebben meetsondes in de vorm van een kogel ontwikkeld, waarmee biologische productieprocessen beter kunnen worden bewaakt en efficiënter vormgegeven.
De juiste temperatuur bepaalt hoe goed micro-organismen of cellen in een bioreactor kunnen worden gekweekt. Hoewel de warmte in de reactor verschillend is verdeeld, is de temperatuur tot nu toe alleen meetbaar met staafsondes, die in voorgedefinieerde gaten worden gestoken. Met de mobiele sensorkogels, ongeveer ter grootte van een erwt, kan de temperatuur op veel plaatsen tegelijkertijd worden bepaald. Daardoor is het mogelijk om de warmtetoevoer exact zo te reguleren dat deze voor het productieproces optimaal is. Deze nieuwe Sens-o-Sphere meetkogels zijn ontwikkeld aan Fraunhofer-ENAS, in samenwerking met wetenschappers van de Technische Universität Dresden en projectpartners uit de industrie.
Voor elke schaalgrootte
Binnen een reactor van een liter zijn de temperatuurverschillen binnen een reactie nog niet zo groot. In een reactor van meerdere duizenden liters neemt de fout echter sterk toe. Met de nauwkeurige meettechniek zijn er minder problemen bij het opschalen van de volumes, en daarmee bij de omschakeling van kleine testreactor naar grote reactoren in de productiehal.
Geen beperkingen
Een ander voordeel van de Sens-o-Sphere: terwijl staafsondes door een kabel gebonden zijn, zijn de kogels voorzien van een oplaadbare batterij. De moeite voor de installatie is daardoor klein. De Sens-o-Spheres zwemmen eenvoudig in het medium en storen daardoor ook niet tijdens het roeren. Bovendien kunnen ze zowel probleemloos in kilometers lange buisreactoren en andere innovatieve reactortypen als in klassieke kleine kweekvaten zoals schudkolven worden gebruikt. Gangbare meetsystemen hebben hier hun grenzen.
De gemeten data worden radiografisch live naar een basisstation gestuurd. Daarbij is elke meetwaarde gekoppeld aan een bepaalde kogel, want elke kogel heeft zijn eigen ID. Hoe meer kogels, des te hoger de meetnauwkeurigheid. Er is echter geen vuistregel voor het aantal benodigde kogels. De regel is: zoveel kogels als nodig, zo weinig als mogelijk.
Gemakkelijk hergebruik
Na gebruik kunnen de kogels probleemloos in een autoclaaf worden gesteriliseerd; de elektronica is robuust en bovendien veilig opgesloten in een kapsel uit polypropeen. De vochtigheid en hoge temperaturen (rond 120 °C en meer) die in autoclaven gangbaar zijn, doen de kogels geen kwaad. De kogels kunnen daardoor steriel worden gehouden, met behulp van een speciaal ontwikkeld inductief batterijlaadsysteem worden opgeladen en opnieuw worden gebruikt.
Binnenkort moeten de meetkogels niet alleen de temperatuur maar ook het zuurstofgehalte en de pH-waarde kunnen bepalen. Bovendien willen de onderzoekers het basisstation koppelen met het totale systeem.. Dan zou het productieproces op basis van de gemeten waarden automatisch kunnen worden geregeld. De kogels moeten bovendien zodanig worden geordend dat de onderzoekers precies weten waar de meetwaarde is bepaald.