Optische Sauerstoffmessung Sauerstoffmessung: Damit ihrer Zellkultur nicht die Puste ausgeht

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Ohne Sauerstoff geht nichts in Fermentation und Zellkultur. Nur der fein austarierte Ausgleich zwischen Verbrauch und Zufuhr des lebenswichtigen Gases garantiert optimale Bedingungen für die Zellen. Was Betreiber bei der Sensorauswahl beachten sollten und warum der Trend zu optischen Sensoren geht.

Sauerstoffgehalt und pH-Wert sind die wichtigsten chemischen Prozessparameter, die während eines biotechnologischen Prozesses überwacht und gesteuert werden. Beides hat einen signifikanten Einfluss auf Zellwachstumsraten, Produktausbeute und -qualität. Die Auswahl des Messsystems ist deshalb von großer Bedeutung, um gleichbleibende Chargen und Produktqualität zu erreichen. Installation, Wartung und Systemsicherheit sind die Faktoren beim Einsatz von Sensoren, auf die Anwendern besonders achten.

Deshalb werden in den letzten Jahren zur Sauerstoffmessung überwiegend optische Sensoren eingesetzt, die gegenüber amperometrischen Sensoren mehrere Vorteile aufweisen:

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• Es ist keine Polarisation erforderlich.

• Das System ist Elektrolytfrei, deshalb benötigt man keine aggressiven Chemikalien.

• Die Konditionierung vor dem ersten Einsatz entfällt.

• Die Sensoren müssen seltener gewartet werden und

• weisen keinen Drift auf.

Im Gegensatz zu den amperometrischen Sensoren, die das Prinzip der Elektrochemie nutzen, ermitteln optische Sensoren die Sauerstoffkonzentration genau und schnell mittels Fluoreszenzlichtlöschung (siehe Kasten). Mettler Toledo hat vor einigen Jahren das Optocap-Element entwickelt, das die fotosensitiven Bestandteile des Sensors in einem Bauteil bündelt und als Ganzes ausgetauscht werden kann. Das Sensorelement verhindert die Bildung von Luftblasen am Sensor, vermeidet das Rauschen des Messsignals und führt zu einer stabilen und zuverlässigen Sauerstoffmessung.

So arbeitet die optische Sauerstoffmessung

Ohne Physik und Chemie geht nichts

Optische Sensoren arbeiten nach dem Prinzip der Auslöschung (Quenching) von Fluoreszenzlicht. Ein Farbstoff (Chromophor) ist in einer Silikonschicht immobilisiert und bildet den sensitiven Teil des optischen Messsystems in einer austauschbaren Baugruppe (Optocap). Eine LED-Lichtquelle sendet ein gepulstes Signal aus, das den Farbstoff zur Fluoreszenz anregt. Dieses Fluoreszenzlicht wird auf einen lichtempfindlichen Detektor geführt. Diffundiert aus dem Messmedium Sauerstoff in die Silikonschicht, verringert sich die Intensität des Fluoreszenzlichts. Bei niedriger O₂-Konzentration ist das Fluoreszenzsignal in seiner Intensität höher als bei hoher O₂-Konzentration. Es unterscheidet sich jedoch auch die Reaktionszeit (Abklingzeit der Fluoreszenz). Bei niedriger O₂-Konzentration wird das Fluoreszenzlicht vom Farbstoff mit einer größeren Zeitverzögerung als bei hoher O₂-Konzentration ausgesandt. Primär wird die Abklingzeit zur Berechnung der O₂-Konzentration ausgewertet.

Die Grundlage dazu liefert die Stern-Vollmer-Gleichung. Dabei wird die Zeitverzögerung nicht in direkten Zeiteinheiten, sondern als sogenannter Phasenwinkel phi ausgewertet. Als Bezugspunkt dient ein Referenzstrahl, der direkt auf den Lichtdetektor geführt wird und als gepulstes Signal gleichzeitig mit dem Messstrahl erzeugt wird. Der Messstrahl wird im Sensor über Lichtwellenleiter von der Lichtquelle zur Optocap geführt, das dort erzeugte Fluoreszenzlicht wird ebenfalls über Lichtwellenleiter auf den Detektor geführt. Abbildung 1 zeigt das prinzipielle Signalverhalten eines optischen O₂-Sensors.

Integrierte Diagnose spricht Klartext

Moderne optische Messsysteme verfügen über integrierte Diagnosefunktionen, die den Anwender im Klartext darüber informieren, wann ein Austausch des Optocap-Elements erforderlich ist und wie lange . es unter den gegebenen Prozessbedingungen noch eingesetzt werden kann. Eine Timerfunktion weist darauf hin, wann die nächste Kalibrierung und Justierung erfolgen soll. Die automatische Stabilitätskontrolle berechnet anhand der Kalibrierdaten und der aktuellen Prozessbedingungen voraus, welche Sensordrift zu erwarten ist und korrigiert den Messwert um die zu erwartende Abweichung, so dass eine maximale Langzeitstabilität erreicht wird. Auch die Anzahl der Reinigungszyklen (CIP - Cleaning in Place) und Sterilisations- oder Autoklavierzyklen (SIP - Sterilisation in Place) wird automatisch detektiert. So kann eine maximale Anzahl CIP und SIP Zyklen definiert werden.

Kalibrierung und Justierung per PC oder Notebook

Nur ein korrekt kalibriertes Messsystem liefert korrekte Messwerte. Die Kalibrierung eines optischen O₂-Sensors wird an zwei Punkten durchgeführt: An Luft als kostenlosem Kalibriermittel, die sehr konstant zusammengesetzt ist und 20,95 Vol-% Sauerstoff enthält, und in sauerstofffreiem Medium wie z.B. Stickstoff mit einer Reinheit von mindestens 99,995 Vol-%. Bei der Kalibrierung an Luft sind sowohl die Luftfeuchte als auch der aktuelle Atmosphärendruck zu berücksichtigen und während der Kalibrierroutine in das Messgerät einzugeben, damit dieses den korrekten O₂-Partialdruck berechnen kann.

Diese Daten sind heute leicht über das Internet oder eine Wetter-App zugänglich. Der O₂-Sensor lässt sich aber auch direkt am PC/Notebook über ein USB-Interface kalibrieren und justieren, das einen Luftdruck- und eine Luftfeuchte-Sensor enthält. Die Kalibriersoftware für PC/Notebook stellt noch weitere nützliche Funktionen bereit wie Sensorverwaltung in einer Datenbank, Benutzermanagement und umfassende Sensordiagnose.