In der Hitze geboren

Emaillierte pH-Elektroden sind korrosionsbeständig

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16.04.2008 Archaeen sind Organismen, die unter außergewöhnlichen Lebensbedingungen existieren können. Sie sind als Produzenten hitzestabiler Proteine wissenschaftlich wie wirtschaftlich interessant. Die gewonnenen fettlösenden Enzyme könnten beispielsweise in Geschirrspülmitteln eingesetzt werden. Um Archaeen zu kultivieren, bedarf es einer technischen Ausstattung, die auch extremen Bedingungen widersteht und dabei den pH-Wert exakt misst und regelt.

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Archaeen pflanzen sich unter außergewöhnlichen Bedingungen fort, beispielsweise bei Temperaturen von 80°C bis 113°C und in einer extrem anaeroben Atmosphäre. Der hyperthermophile (außergewöhnlich Hitze liebende) und methanogene (Methan produzierende) Organismus stammt aus Lebensräumen, die vom Vulkanismus geprägt sind.

pH-Regelung für Fermenter

Die Kultivierung der Organismen erfolgt in emaillierten Fermentern, die auf einen Innendruck von –1 bis 6bar ausgelegt sind. Das Email schützt den Stahlkessel, der unter den Wachstumsbedingen sonst korrodieren würde. Um eine befriedigende Wachstumsrate zu erzielen, ist es unerlässlich, den einmal eingestellten pH-Wert konstant in sehr engen Grenzen zu halten. Hierzu ist eine präzise pH-Wert-Regelung, die darüber hinaus auch den anspruchsvollen Einsatzbedingungen Rechnung trägt, notwendig. Die Regelung erfordert neben einer guten Dosierpumpe eine hochpräzise Messung des pH-Wertes. Übliche Verfahren zur Messung des pH-Werts zum Beispiel mit Glas- oder IsFET-Elektroden (Ionen sensitive Feldeffekt Transistoren) sind hierfür ungeeignet. Sowohl Standard Glaselektroden als auch Elektroden mit Gel-Füllung oder mit einer Silberionensperre versagen innerhalb weniger Tagen den Dienst. Ursache hierfür ist vor allem deren mangelnde Beständigkeit gegen Schwefelwasserstoff wie andere aggressive Stoffe und die hohen Temperaturen im Fermenter.

Sonden aus Stahlemail

Für die Kultivierung der Archaeen setzen Wissenschaftler der Universität Regensburg pH-Sonden vom Typ 04 der Firma Pfaudler ein. Der Träger der pH-Sonden besteht aus Stahl, der die Elektrode mechanisch beständig gegen turbulente Strömungen von Rührwerken macht. Die Sonden können daher ohne Schutzkorb oder ähnliche Einrichtungen direkt der Produktströmung ausgesetzt werden und erfassen so den pH-Wert unmittelbar, direkt und zeitaktuell. Der Stahl selbst ist gegen Korrosion und Produktanhaftungen mit hochbeständigem und antiadhäsivem Email beschichtet. Der Elektrodenstab wird direkt in den Behälterstutzen des jeweiligen Reaktors eingebaut.

Die Elektrode der Sonde besteht aus pH-empfindlichem Email und ist um das untere Ende des emaillierten Sondenträgers angeordnet. Die großflächige Messelektrode nimmt den gesamten Umfang am unteren Ende der Sonde ein, so dass auch Messungen zum Beispiel in Flüssigkeiten mit sehr geringer elektrischer Leitfähigkeit möglich sind. Die Messelektrode aus Email ist direkt mit ihrer metallischen Ableitung verbunden. Damit entfällt der Schwachpunkt Innenpuffer/Ableitelektrode. Das pH-Email hat im Gegensatz zu üblichen Glaselektroden nur auf einer Seite Flüssigkeitskontakt

Extreme Messbedingungen

Die für die pH-Messkette notwendige Bezugselektrode ist – getrennt von der Messelektrode – in einem Elektrolytgefäß positioniert. Sie steht mit dem zu überwachenden Produkt über den Elektrolyten und ein Schliffdiaphragma in Verbindung. Das Elektrolytsystem wird mit Druck beaufschlagt, so dass der Druck im Elektrolytsystem immer über dem Betriebsdruck des Reaktionsraums liegt. Somit ist ausgeschlossen, dass das Produkt aus dem Reaktionsraum durch das Diaphragma und über die Elektrolytstrecke bis zur Bezugselektrode vordringen kann. Dieser Messkette ist ein Trennverstärker nachgeschaltet, an den sich alle handelsüblichen pH-Messumformer anschließen lassen. Der Einsatzbereich dieser Sonden liegt bei –1 bis +9bar (optional bis 24bar) und 0 bis +140°C in der Standardausführung.

Pyrococcus furiosus: Pyrococcus (Griech.) beschreibt die Thermophilie (pyr) und runde Gestalt (coccus) des Organismus. Furiosus (Lat.) bedeutet „rasend“ und steht für die rasche Teilungsrate.

Heftausgabe: April-Mai 2008
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Über den Autor

Jochen Endreß , Manager für Business Development, Pfaudler Werke
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