案例报告:电化阻抗光谱替代细胞计算团萨查密斯赛维西亚供酿酒应用

先进技术,如电化学阻抗光谱分析技术,是一个宝贵工具,如果正确使用,可增强和简化工序监测最先进筛选细胞生长方法,例如编织过程的酵母仍然严重依赖离线方法,如甲苯蓝色或浮色染色和/或流细胞测量法方法精准性耗时并需要大量人工工作此外,计算结果所需时间段可延迟响应信号并影响最终产品质量在最近的研究中,低频EIS应用α-系统用于判定细胞计数和代谢状态萨查密斯赛维西亚.这种方法证明是一个可靠工具,在工业规模应用中也显示出高潜力在线生物量监控和可行细胞计数可行性研究是在SteglBruery内部完成的,SteglBruery建建于1492年

微机种植在许多不同领域(如食品、散装化学品和制药生产领域)以及在废物变值概念[11-14]中发挥着关键作用。

工业应用中培养不同微生物的必要性,例如食品工业,导致需要详细过程监控,以避免与pH或溶解氧变化有关的问题[1]多年来,离气分析证明是宝贵的工具,可用于多应用中而无需担心健康和安全种植过程使用的最重要参数之一是生物量,它目前仍在使用阶段,大多通过人工细胞室计数确定。同时,例如在酿造行业中,常有变异可导致终端产品质量下降[2 3]因此,需要高级测量技术促进高效原地监测过程,同时费用低廉。电化学阻抗分光镜是生命科学中强大的工具,并因有可能描述种植过程的微生物行为而受到深入调查用于这些应用的电容探针都基于Di-discription(10)(10)⁷-10⁴Hz)可惜这些探针显示高度依赖过程参数(例如扰动、温度、pH值、盐基富集度等)[45],因此无法用于工业流程的详细监控为了避免这些限制,我们利用频率小于10khz的不同物理现象(α分布)提供生物量富集的宝贵信息我们的目标是开发测试新应用低频电化学阻抗光谱在线测量法实验级初步研究,然后将测量技术转移至萨尔茨堡/奥地利StieglBruery工业传播过程宝贵的初步工作在一些自学中完成,见别处[6,10]

最先进可行细胞计数批量食品,如酿酒厂,一般基于托马斯市细胞计数室VCC在线编织业尚未建立,此类测试必须负担得起、简单、稳健和可复制性[7]在这次可行性研究中,细胞计数测量发生在Siegl啤酒厂并使用托马斯市细胞测量图1a显示单元格数悬停装萨查密斯赛维西亚受下方程(1)定义

$\mathrm{T级}\mathrm{欧市}\mathrm{t级}\mathrm{a/}\mathrm{I级}\mathrm{C级}\mathrm{e类}\mathrm{I级}\mathrm{I级}\mathrm{N级}\mathrm{欧市}m\mathrm{b/}\mathrm{e类}R=高山市\frac{\mathrm{C级}\mathrm{欧市}\mathrm{欧市}\mathrm{N级}\mathrm{t级}\mathrm{e类}\mathrm{d级}\mathrm{C级}\mathrm{e类}\mathrm{I级}\mathrm{I级}\mathrm{s级}}{\mathrm{N级}\mathrm{欧市}m\mathrm{b/}\mathrm{e类}R\mathrm{欧市}\mathrm{f级}\mathrm{C级}\mathrm{欧市}\mathrm{欧市}\mathrm{N级}\mathrm{t级}\mathrm{e类}\mathrm{d级}\mathrm{C级}-\mathrm{a/}RR\mathrm{a/}\mathrm{y市}\mathrm{s级}})*400*{10}^4*\mathrm{d级}一\mathrm{I级}\mathrm{欧市}\mathrm{t级}一\mathrm{欧市}\mathrm{N级}\mathrm{f级}\mathrm{a/}\mathrm{C级}\mathrm{t级}\mathrm{欧市}R$(1)

400x10⁴表示因子托马斯市机房图1b活/死细胞差别使用甲苯蓝染染染法

实验细节表示主机S.Cervisiae分析方法见[8]

测量搭建

EIS测量记录范围为10⁶至10^-1Hz放大达100mV使用N4LPSM1735频率分析器目标新监控过程 开发精密探针 并同时保持易处理性 和获取数据精度案例研究涉及几个步骤,包括搭建在线原型此外,必须生成阻抗信号,与可行细胞集中相联,实施探针并在实境测试

初始测量使用10升不锈性SartoriusBiostatCpla生物反应器S.Cervisiae.实验规模实验产生极有希望的结果后,开始转至萨尔茨堡BrauereiStiegl工业传播堆工业堆是1500L不锈钢推送器,交替循环吸气和抽吸汤为了保持这种大型构造的不动性,采样并带我们探针送入定制反应器,以便随后测量阻抗性大规模搭建和在线探针设计可见图2

案例研究存在二步实验布局,以保证成功从实验室规模转换为实生产业规模目标是开发并提供原理证明 工业酵母传播步 Stiegl酿酒厂事实显示传播后有效数细胞可直接影响到产品质量可靠系统判定代谢周期的可行细胞数和状态不仅简化这一步,而且会大大增强

实验室规模传播

实验级测试用10L发酵器进行新测量技术初始测试为了能有效比较实验室测量与工业测试,Stiegl酿酒厂已经提供原材料和酵母持续监控微生物生长并保持有氧化,溶氧量超过70%,温度增12摄氏度进程分析报告包括糖/乙醇数据和OD₆₀₀和干细胞权所收集数据符合文献并显示众所周知行为S.Cervisiae种植期间可行性还用流细胞测量检测并显示几乎没有细胞死亡所得数据安装时使用电阻电缆和接触阻力和双层电容理想电容等值电路元产生等效电路并安装复杂非线性最小平方图3a显示的数据出自线性安装后阻抗信号由于高适配质量,CDW预测基于这些结果工业酿酒厂每日操作程序使用细胞计数法,细胞数使用流细胞测量法额外测定预测CDW后与流细胞测量获取的细胞数相关生成线性相关可见图3b并用图3c计算单元格/ml质量适配度证明足够高用于计算Broth中的CDW

工业规模传播 stiegl酿酒厂

成功完成第一阶段原理证明后,阻抗测量技术应用到Stiegl酿酒厂1500L传播堆为了保持不育性需求,Broth采样后分发Gruber GmbH自定义测量器内(奥地利萨尔兹堡)。测量系统内部温度定值为8摄氏度需要考虑的改变是,实验室规模搭建使用理想搅拌堆,而工业搭建则通过交替抽取电池和系统消毒提供促动,这可能导致代谢状态的差异。阻抗度测量结果可见图4细胞数按例由Stiegl内部方法确定并设置与阻抗信号相关相关关系再次线性化然而,可以看到偏差比照实验室规模可归结为细胞通过流细胞测量数与细胞室间出现差异文献中也曾报告过这一点。求取可行和精确的细胞数判定方法至关重要高质关联性方法提供直向可靠方法分析工业规模搭建此外,基于α分布式的简单测量原理提供了可靠新方法,很容易适应食品行业的其他应用,而不会冒系统不育风险。

内此案例研究新手在线探针基础低频EIS判定VCCsS.Cervisiae测试实验级第一阶段测试证明有希望,并因此转到萨尔茨堡Stiegl酿酒厂大规模工业搭建α分布式系统阻抗测量成功应用到工业搭建中,提供宝贵数据,不暴露系统不育风险计算酿造厂细胞和接收阻抗信号之间的关联提供宝贵的工具,从现在开始可直接用于判定传播期间细胞数由于这些大有希望的结果,这类测量也可以应用到其他食品行业未来工作将包括开发大规模应用工作内联探

这项工作得到了奥地利促进机构支持[赠款号:874206]获取资金感谢Stiegl酿酒厂Serbjective/Ocelice提供测试系统可行性方法的机会

作者投稿

师傅G.C.布鲁诺尔和DDRC.Slouka实验师傅G.C.布鲁诺尔和A格鲁伯搭建测量搭建C.Slouka数据分析博士A.Meindl为概念化提供宝贵投入师傅G.C.布鲁诺博士A.Meindl起草手稿.b.rotter为设计电化学阻抗光谱仪设置提供宝贵输入所有作者都阅读并接受手稿出版版

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