病例报告:电化学阻抗谱作为酵母细胞计数室(Al-ternative酿酒酵母为啤酒厂应用程序)

先进技术,如电化学阻抗谱(EIS),是一个有价值的工具,可以增强和简化工业过程监控,如果正确使用。最先进的方法筛选的细胞生长,例如酵母酿造过程中仍然严重依赖离线方法如亚甲蓝或花期dye-based染色,和/或流量测量仪的使用。这些方法,而准确,非常耗时,并且需要重体力工作。此外,获得所需的时间跨度计算结果会导致时延响应信号和会影响最终产品的质量。在最近的研究中,应用程序的低频EISα-regime被用于测定细胞数量和代谢状态酿酒酵母。这种方法已经被证明是一个可靠的工具,也显示出高潜力在工业规模的应用程序。在线生物监测,以及可行的细胞计数,对可行性研究进行内部Stiegl酿酒厂在奥地利萨尔茨堡/成立于1492年。

微生物查看发挥重要作用在许多不同的领域,如食品、散装化学品和药品生产,以及在waste-to-value概念(11 - 14)。

必要性培养不同微生物在工业应用中,例如食品工业等导致的需要详细的过程监控,以规避问题pH值的变化或溶解氧[1]。多年来尾气分析已被证明是有价值的工具,可以利用大量的应用程序中没有关于健康和安全的担忧。最重要的参数之一,用于培养过程是生物质能,仍然是在这个时代,主要通过人工细胞室计数。同时,例如酿酒行业,经常在活细胞浓度变化例如(VCC)会导致减少终端产品的质量[2,3]。因此,先进的测量技术要求方便高效的原位监测过程同时是廉价的。电化学阻抗谱(EIS)是一种强大的工具在生命科学和严格追究其潜力培养过程中微生物的行为特征。这样的应用程序使用的电容探针都是基于β-dispersion (10⁷-10年⁴赫兹)。不幸的是,这些调查显示高度依赖工艺参数(如搅拌,温度、pH值、盐和底物浓度等)(4、5),因此,不能用于详细的工业过程监控。为了克服这些局限性,我们利用一种不同的物理现象(α-dispersion)频率低于10 kHz,它提供了有价值的信息关于生物质浓度。我们的目标是开发和测试小说在线测量低频电化学阻抗谱的应用在实验室规模的初步研究,然后将测量技术向工业传播过程在萨尔茨堡Stiegl啤酒厂/奥地利[8]。价值的初步工作是做一些自己的研究,看到其他地方(6、10)。

的活细胞计数的测量生产散装食品,如啤酒厂,通常基于托马细胞计数室。在线测量的VCC酿造工业尚未建立,因为有历史原因。这些测试必须负担得起的,简单,健壮和可再生的[7]。在这个可行性研究细胞计数测量发生在Stiegl啤酒厂进行使用托马细胞测量,如图1所示。悬浮细胞的数量,包含酿酒酵母,是由以下方程(1)

$Tot\mathrm{一个}lcellnu米ber=\left(\frac{countedcell\mathrm{年代}}{nu米berofcountedc-\mathrm{一个}rr\mathrm{一个}y\mathrm{年代}}\right)*\mathrm{400年}*{10}^4*d我lut我onf\mathrm{一个}ctor$(1)

400 x 10⁴代表的因素托马如图1 b室。活的或死的细胞之间的分化是由使用亚甲蓝dye-based染色。

实验细节关于表达宿主,种植酿酒酵母和分析方法利用可以在[8]。

测量设置

EIS测量记录在10的范围⁶到10¹赫兹和振幅高达100 mV使用N4L PSM 1735频率分析仪(Newton4th有限公司,莱斯特,英国)。我们新颖的监控流程,目标是开发一个复杂的探测器,同时保持易于处理和获得数据的准确性我们的思想的前沿。案例研究涉及几个步骤,包括建设一个在线原型。此外,一个阻抗信号的生成,它链接到一个可行的细胞浓度(VCC)和探测器的实现及其在现实生活中的测试条件必须进行。

初始测量进行利用10 L不锈钢缝匠肌生物抑制剂Cplus包含的生物反应器酿酒酵母。实验室规模的实验给了非常有前景的结果,向工业转移传播反应堆Brauerei Stiegl在萨尔茨堡开始了。工业反应器是一个1500 L不锈钢宣传者,交替曝气和泵的肉汤。为了保持不育大设置,采集标本,转移到一个定制的反应堆与我们的调查为了进行随后的阻抗测量。大规模的设置以及在线调查设计中可以看到图2所示。

这个案例研究存在两步实验布局,以保证成功的转换从实验室规模真实工业规模。目标是开发和提供证明的原则工业Stiegl啤酒酵母增殖阶段。它已被证明有效的传播后细胞的数量可以直接影响到生产产品的质量。因此,一个可靠的系统,可以确定可行的代谢周期的细胞数量和状态不仅简化这一步,会导致显著的增强。

实验室规模传播

小说的初始测试测量技术基于α-dispersion 10 l发酵罐进行了实验室规模的测试。为了能够有效地比较实验室测量和工业测试提供的原材料和酵母已经Stiegl啤酒厂。微生物增长不断监测和保持有氧溶解氧的量超过70%,生长温度12°C。过程分析报告包括糖/乙醇数据和OD_600年和干电池重量(CDW)。收集到的数据是按照文献和显示著名的行为酿酒酵母在种植。流式细胞术的可行性也被监控和显示几乎没有细胞死亡。获得的数据是电缆安装使用一个偏移量电阻和接触电阻和一个理想电容为双层电容等效电路元件。这导致了一个等效电路拟合的复杂的非线性最小二乘拟合。数据在图3中看到一个来自线性拟合后的阻抗信号。由于配件质量较高车损险预测是基于这些结果。随着工业啤酒利用细胞计数方法在日常操作过程中细胞数量另外决定使用流式细胞仪。预测的车损险是然后把相关的细胞流式细胞仪获得的数字。由此产生的线性相关图3中可以看到b和被用来计算细胞/毫升在图3 c。质量证明足够高的适合用于计算车损险的肉汤。

工业规模传播stiegl啤酒厂

成功完成后,我们的证据第一阶段原理在实验室规模的阻抗测量技术应用于1500 l传播反应堆Stiegl啤酒厂。为了保持不育性需求,肉汤是采样,然后聚集在一个定制的测量装置由格鲁伯GmbH(奥地利萨尔斯堡)。内部的温度测量系统被设定8°C。一个变更,必须考虑的是实验室规模设置一个理想的搅拌反应器使用而在工业设置搅拌通过交替注入的细胞和曝气系统,这可能导致不同的代谢状态。阻抗测量的结果在图4中可以看到。Stiegl细胞数量是决定像往常一样的内部方法和设置相关的阻抗信号。再次的相关性是线性的。然而,偏差可以看到实验室规模相比。这可以归因于细胞计数通过流式细胞术和细胞之间发生分歧。这也被报道在文学。 In order to obtain a viable and exact determination of cell numbers, calibration with the method of choice is crucial. Due to the high quality of correlation, this method provides a straight forward and reliable method to analyze the propagation broth at an industrial scale setup. Furthermore, this straightforward measurement principle based on α-dispersion, provides a reliable new method which can be easily adapted to other applications in the food industry without risking sterility of the system.

在这个案例研究小说在线调查基于EIS低频电流的决心酿酒酵母进行了测试。第一阶段测试在实验室规模证明承诺,因此转移到一个大型工业设置在萨尔茨堡Stiegl啤酒厂。阻抗测量α-dispersion政权已成功应用于一个工业设置中,提供有价值的数据没有暴露任何系统的不育的风险。获得的啤酒厂的细胞计数之间的相关性和接收到的阻抗信号提供了一个有价值的工具,从现在开始可以直接用来确定细胞数量在传播。由于这些可喜的成果这种类型的测量也可以应用于其他食品行业。未来的工作将包括工作内联探针的开发大型应用程序。

这项工作得到了奥地利促进会(FFG)(格兰特号码:874206)。来融资。我们感谢Stiegl啤酒厂奥地利萨尔斯堡/机会来测试系统的可行性方法。

作者的贡献

教授G.C. Brunauer和DDr。c . Slouka进行了实验。教授G.C. Brunauer和a·格鲁伯测量设置和DDr建造。c . Slouka进行数据分析。答:Meindl博士给有价值的输入在概念化。教授G.C. Brunauer博士答:Meindl起草了手稿。b .无赖给有价值的输入设计电化学阻抗谱(EIS)测量设置。所有作者已阅读及同意发布版本的手稿。

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