Characterization of the permeability of sealing tapes and development of a viscosity measuring technique in shaken reactors

Sieben, Michaela Maria; Büchs, Jochen (Thesis advisor); Schuppert, Andreas (Thesis advisor)

Aachen (2017)
Doktorarbeit

Kurzfassung

Der erste Teil der vorliegenden Arbeit behandelt die Charakterisierung von 12 kommerziell erhältlichen Abdeckfolien für Mikrotiterplatten hinsichtlich ihrer Sauerstoff- und Wasserdampfpermeabilität. Ein besonderer Fokus dabei war, den Einfluss der Verdunstung auf die Temperatur der Flüssigkeit in den Vertiefungen zu überprüfen. Das Resultat der experimentellen Analysen zeigte, dass drei der untersuchten Abdeckfolien keinen Sauerstofftransport zulassen und damit für die aerobe Kultivierung ungeeignet sind. Hinsichtlich der Wasserdampfpermeabilität unterscheiden sich die restlichen Folien alle. Im Mittel lag der Wasserverlust bei 40 % des Anfangsvolumens nach 24 Stunden bei 37°C und 45 % Luftfeuchte. Dieser immense Flüssigkeitsverlust führte beruhend auf Verdunstungskühlung zu Differenzen von bis zu 3.8°C zur gewünschten Temperatur. Die Ergebnisse machen deutlich, dass keine der 12 Abdeckfolien den Anforderungen des Anwenders gerecht wird. Um dieses Optimierungspotential zu adressieren, wurde ein mathematisches Modell entwickelt. Mit Hilfe des Modells wurde verdeutlicht, dass die Verdunstungsrate im Gegensatz zur Sauerstoffversorgung linear abhängig von der Diffusionsfläche ist. Eine Verringerung der freien Diffusionsfläche kann die Verdunstung demzufolge reduzieren ohne dabei den Sauerstofftransport zu beeinflussen. Im zweiten Teil der Arbeit lag der Fokus auf der Entwicklung einer Messtechnik zur quantitativen, nicht-invasiven Erfassung der Viskosität in Schüttelkolben. Die Messtechnik basiert auf dem physikalischen Phänomen, dass sich mit ansteigender Viskosität die Richtung, in die die rotierende Flüssigkeitssichel weist, relativ zur Zentrifugalkraft ändert. Dieser Versatz in der Flüssigkeitsbewegung kann dann mit der Viskosität korreliert werden. Zur nicht-invasiven Detektion der Flüssigkeitsposition wurden sowohl eine Fluoreszenz- als auch eine Transmissionsmessung entwickelt. Um die Information über die Flüssigkeitsposition im geschüttelten Kolben in ein Viskositätssignal zu verwandeln, wurde eine Kalibrierung mit Hilfe von Modellfluiden bekannter Viskosität erstellt. Die entwickelte 8-Kolben-Anlage wurde durch die Kultivierung der Bakterien Paenibacillus polymyxa und Xanthomonas campestris validiert. Der Vergleich der online Messtechnik mit einer herkömmlichen Messung am Rheometer zeigte, dass bis 120 mPa·s die Viskosität mit einer Genauigkeit von 3.11 mPa·s ± 0.6 mPa·s gemessen werden kann.

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