Immer häufiger werden Mikroorganismen industriell eingesetzt, um chemische Stoffe zu synthetisieren. Um zu überwachen, ob die Lebewesen ihre Arbeit ordnungsgemäß erledigen, muss man sie an der richtigen Stelle festhalten.
Das gelingt mit Hilfe einer Ultraschalltechnik, die an der TU Wien entwickelt worden ist. Die neue Technik lässt sich als einfaches Add-On mit einer bestehenden Process Analytical Technology (PAT) kombinieren.
Infrarot und Ultraschall
Die Bioreaktoren, in denen man Mikroorganismen industriell einsetzt, sind alles andere als eine ruhige Umgebung: „Die Mikroorganismen befinden sich in einer Flüssigkeit, die ständig gerührt wird. Eine direkte Analyse der Mikroorganismen ist oft schwierig“, erklärt Prof. Bernhard Lendl vom Institut für Chemische Technologien und Analytik der TU Wien. „Eine Möglichkeit ist die ATR-Spektroskopie, bei der man die Mikroorganismen mit Infrarot-Licht analysiert.“
Stehende Wellen hindern Mikroorganismen am Abhauen
Das gelingt aber nur dann, wenn man die Mikroorganismen nahe am Infrarot-Messgerät festhält und gleichzeitig verhindert, dass sie an der Sonde des Messgerätes festkleben. Genau das wird nun mit Hilfe der Ultraschall-Technologie möglich, die Prof. Bernhard Lendl gemeinsam mit Dr. Stefan Radel aus der Forschungsgruppe von Prof. Ewald Benes an der TU Wien entwickelte.
Zwischen einem Ultraschall-Lautsprecher und einem Reflektor wird direkt im Bioreaktor eine stehende Schallwelle erzeugt. Dort, wo sich Wellenberge befinden, ändert sich der Schalldruck Millionen mal pro Sekunde. Dadurch werden die Zellen aus diesen Bereichen weggedrückt. An den Knotenpunkten hingegen bleibt der Schalldruck konstant, und genau dort sammeln sich die Zellen an.
Vorteile der Ultraschallmethode
Man kann die Schallwellen des etwa zigarrengroßen Gerätes Sonic-Catch dazu verwenden, gezielt biologische Partikel im Messbereich anzulagern oder aber fern zu halten. Man kann so entweder die Mikroorganismen selbst untersuchen oder die wässrige Lösung analysieren, in der sie sich befinden. Selbst lebende Zellen werden durch den Ultraschall nicht geschädigt. Der Prozessablauf wird durch die Messtechnik also nicht gestört.
Durch gezielte, kurze Ultraschall-Pulse kann Sonic-Wipe die Sonde des Infrarot-Messgerätes bei Bedarf reinigen, ohne dass man sie aus der Bio-Lösung herausnehmen oder mit zusätzlichen Chemikalien behandeln müsste.
„Die Ultraschall-Technik ermöglicht eine erhöhte Messgenauigkeit, eine höhere Empfindlichkeit bei geringeren Teilchenkonzentrationen und Echtzeitmessungen und somit eine gezielte Prozesssteuerung, selbst bei schwierigen Bedingungen. Bei einem häufig eingesetzten Messverfahren haben wir eine Erhöhung der Empfindlichkeit um den Faktor 100 festgestellt“, sagt Dr. Stefan Radel.
