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Characterization of the permeability of sealing tapes and development of a viscosity measuring technique in shaken reactors = Charakterisierung der Permeabilität von Sterilfolien und Entwicklung einer online Viskositätsmesstechnik in Schüttelreaktoren
2017
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2017
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-10-12
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2017-08973
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/707004/files/707004.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/707004/files/707004.pdf?subformat=pdfa
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
microtiter plates (frei) ; sealing tapes (frei) ; evaporation (frei) ; oxygen transfer (frei) ; shake flasks (frei) ; viscosity (frei) ; online measuring technique (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
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.The first part of this work deals with the characterization of 12 commercially available sealing tapes for microtiter plates with regard to their oxygen and water vapor permeability. Special attention was given to the influence of the evaporation on the liquid temperature in the well. The results of the experimental analysis showed that three of the investigated sealing tapes do not permit oxygen transport and are therefore unsuitable for aerobic cultivation. With respect to water vapor permeability, the remaining sealing tapes exhibit vast differences. On average, the water loss was 40% of the initial volume after 24 hours at 37°C and 45% humidity. This immense liquid loss led to differences of up to 3.8°C from to the desired temperature due to evaporative cooling. Accordingly, none of the 12 sealing tapes met the requirements of the user. To address this optimization potential, a mathematical model was developed. With the help of the model, it was shown that, contrary to oxygen supply, the evaporation rate is linearly dependent on the size of the diffusion area. A reduction of the diffusion area can therefore reduce evaporation without affecting oxygen transport. The second part focused on the development of a measurement technique for the quantitative, non-invasive detection of viscosity in shake flasks. The measurement technique is based on detecting the position of the rotating bulk liquid as it changes with respect to the direction of centrifugal acceleration dependent on the viscosity. It is possible to correlate this offset in the liquid motion with the viscosity. For non-invasive detection of the liquid position, a fluorescence as well as a transmission measurement were developed. To convert the information about the liquid’s position in the shake flask into a viscosity signal, a calibration was established using model fluids of known viscosity. The developed 8-flask-device was validated by the cultivation of the bacteria Paenibacillus polymyxa and Xanthomonas campestris. The comparison of the online measurement technique with a conventional measurement on a rheometer showed that the viscosity can be measured with an accuracy of 3.11 mPa·s ± 0.6 mPa·s up to 120 mPa·s.
OpenAccess: 
PDF 
PDF (PDFA)
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT019483149
Interne Identnummern
RWTH-2017-08973
Datensatz-ID: 707004
Beteiligte Länder
Germany
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