Die neuen VisiFerm DO Arc

Sensoren für Fermentationsprozesse

Die Messung des Partialdrucks gelösten Sauerstoffs spielt eine wichtige Rolle bei der Steuerung von Fermentationsprozessen. Üblicherweise kommen hier elektrochemische Clark-Sensoren zum Einsatz. Mit den VisiFerm DO Arc Sensoren, den ersten Sensoren zur optischen Messung des Partialdrucks, hat Hamilton eine neue, sich als überlegen erweisende Lösung entwickelt. Die Visi-Pro DO Ex ist sogar für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen und damit für Biogas-Reaktoren geeignet.

Bild 1: Fermentation des vorbehandelten Rohstoffs im Bioreaktor mit installiertem Sensor.

Um Fermentationsprozesse präzise steuern zu können, bedarf es in vielen Fällen einer Messung des Partialdrucks von gelöstem Sauerstoff. Hierzu werden stabile und leistungsfähige Sauerstoffsensoren benötigt, die nicht zuletzt auch den permanenten Sterilisations-Vorgängen standhalten können.

Clark-Sensoren
Traditionell kamen hier bisher elektrochemische Clark-Sensoren zum Einsatz. In ihren Messkammern stehen zumeist eine Platin-Kathode und eine Silber-Anode über eine Elektrolytlösung miteinander in Verbindung, wobei die Polarisationsspannung so eingerichtet wird, dass es nicht zur Elektrolyse der verwendeten Elektrolytlösung kommt. Durch eine sauerstoffdurchlässige Membran in der Sensorkappe diffundiert der Sauerstoff in die Messkammer. Der dort entstehende Messstrom ermöglicht es, den Partialdruck gelösten Sauerstoffs zu bestimmen.

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Obwohl seit langem etabliert, haben Clark-Sensoren nun allerdings einige Nachteile: Die Polarisation ist zeitaufwändig. Die Membran ist mechanisch höchst anfällig, sie muss daher häufig ausgetauscht werden, ebenso wie die Elektrolytlösung. Im Zuge der Messvorgänge entstehen zudem an der Anode Ablagerungen oxidierten Silbermetalls, die regelmäßig entfernt werden müssen, wenn die Stromgängigkeit der Messanordnung erhalten bleiben soll. Daraus ergibt sich ein hoher Wartungsaufwand, der die Prozessführung erschwert.

Visiferm DO Arc Sensoren
Vor diesem Hintergrund hat Hamilton, ein führender Sensor-Hersteller mit Sitz in Reno/USA und Bonaduz/Schweiz, mit der Reihe der VisiFerm DO Arc Sensoren eine Alternative entwickelt. Als erste Sensoren überhaupt ermöglichen sie eine optische Messung des Partialdrucks von gelöstem Sauerstoff sowie der sich daraus ableitenden Messgrößen wie Volumenprozent Sauerstoff, Prozent Sauerstoff-Luftsättigung und Sauerstoffkonzentration in Flüssigkeiten. Die VisiFerm DO Arc Sensoren wurden so entwickelt, dass sie Dampfsterilisierungen, Autoklavierungen und CIP-Reinigungen problemlos standhalten. Alle medienberührten Teile verfügen zudem über eine FDA-Zulassung. Für den Einsatz in Fermentern sind die Sensoren damit in jeder Hinsicht hervorragend geeignet.

Methodisch basiert die optische Sauerstoffmessung der VisiFerm DO Arc Sensoren auf der Anwendung der sauerstoffabhängigen Lumineszenz, die am Luminophor nach Anregung durch blaues Licht entsteht. Durch Übernahme der Energie des blauen Lichtes begeben sich die Moleküle des Luminophors in einen angeregten Zustand. In einer sauerstofffreien Umgebung wird diese Energie in Form von rotem Licht wieder abgestrahlt. Die eigentliche Sauerstoffmessung erfolgt dann durch Messung der optischen Phasenverschiebung zwischen pulsierendem blauem Anregungs- und rotem Lumineszenzlicht.

Dank der Technik der optischen Sauerstoff-Messung sind die Sensoren der Reihe VisiFerm DO Arc den Clark-Sensoren in der Anwendung überlegen: Eine Polarisation ist nicht notwendig, der Sensor ist sofort einsatzbereit. Die Sensoren sind mit einer Optiflow-Silikonmembran versehen, die von Hamilton eigens zur Sauerstoffmessung entwickelt wurde. Diese optische Membran ist mechanisch weit weniger anfällig und dadurch um vieles langlebiger als die Membran der Clark-Sensoren. Da auch der Austausch der Elektrolytlösung und die Entfernung von Oxydations-Ablagerungen entfallen, ist der Wartungsaufwand gering, was eine weitgehend unproblematische Prozessführung ermöglicht.

In der Praxis bewährt
Ihre Überlegenheit haben die VisiFerm DO Arc Sensoren schon wiederholt in der Praxis unter Beweis gestellt. So zeigten sie beispielsweise im Zuge der besonders langwierigen Algenfermentation eine hervorragende Messwertstabilität: Während die lange Prozessdauer bei herkömmlichen Clark-Sensoren stets zu einem erheblichen Drift-Verhalten und daraus folgenden Messfehlern führte, blieb das Messverhalten der VisiFerm DO Arc Sensoren über mehr als 500 Stunden hinweg stabil.

Dieselbe Stabilität zeigten die Sensoren auch bei der Steuerung der Bakterienkultur in Kolbenströmungsreaktoren sowie nicht zuletzt bei der Würzebelüftung im Rahmen der Bierherstellung: Während hier bei den konventionellen Clark-Sensoren alle vier Wochen ein Austausch von Sensorkappe und Elektrolyt erforderlich war, benötigten die VisiFerm DO Arc Sensoren - trotz täglicher CIP-Reinigung - über insgesamt fünf Betriebsmonate hinweg keinerlei Ersatzteile.

Eignung jetzt auch für Biogasreaktoren
Durch technische Verbesserungen ermöglicht Hamilton mittlerweile auch eine optische Sauerstoff-Messung während des Fermentationsprozesses in Biogas-Reaktoren: Der neue Sensor VisiPro DO Ex verfügt über eine ATEX-Zulassung und ist damit auch für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen geeignet. Überdies wurde in den neuen Sensor auch der Kommunikationsstandard HART (Highway Adressable Remote Transducer) implementiert, der in der Prozessindustrie häufig eingesetzt wird.

Fazit
Die typischen Nachteile von Sensoren nach dem Clark-Prinzip sind bei den VisiFerm DO Arc Sensoren nicht mehr vorhanden: Die optische Sauerstoffmembran ist weitaus langlebiger als die Membran der Clark-Sensoren. Durch die Technik der optischen Sauerstoffmessung entfallen die Polarisation, der Austausch der Elektrolytlösung sowie die Entfernung der Ablagerungen oxydierten Silbermetalls.

Die Sensoren sind sofort einsatzbereit, die Betriebsdauer ist hoch, der Wartungsaufwand entsprechend gering. Mit der VisiPro DO Ex ist mittlerweile auch ein Sensor im Portfolio, der sich aufgrund seiner ATEX-Zulassung auch für Biogas-Reaktoren eignet.

Weitere Infos zu den optischen Sensorlösungen von Hamilton unter www.hamiltoncompany.com/products/sensors/c/1257/

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