Establishment of surface functionalization methods for spore-based biosensors and implementation into sensor technologies for aseptic food processing

Die aseptische Prozesstechnik hat sich zu einer beliebten Technologie entwickelt, um die Haltbarkeit von verpackten Produkten zu verlängern und den Verbrauchern nicht kontaminierte Waren zur Verfügung zu stellen. Im Jahr 2017 wurde der globale Aseptikmarkt auf rund 39,5 Mrd. USD geschätzt. Viele flüssige Lebensmittelprodukte, wie Saft oder Milch, werden täglich mit aseptischen Abfüllmaschinen produziert und an die Kunden geliefert. Moderne Abfüllanlagen können ungefähr 12.000 fertig verpackte Produkte pro Stunde befüllen (z. B. Pure-Pak® Aseptic Filling Line E-PS120A). Sie müssen jedoch routinemäßig validiert werden, um eine kontaminationsfreie Ware zu gewährleisten. Die Verfahren zur Validierung derartiger Maschinen erfolgen häufig mittels mikrobiologischer Analysen, wobei bakterielle Sporen als Testorganismen wegen ihrer hohen Beständigkeit gegenüber verschiedenen Sterilisationsmittels (z.B. gasförmiges Wasserstoffperoxid) verwendet werden. Der Hauptnachteil der vorgenannten Tests ist deren Läufe: Es dauert mindestens 36-48 Stunden, um die Ergebnisse zu erhalten, d.h. die Produkte können nicht ohne das Validierungszertifikat an den Kunden geliefert werden. Nur in diesem Beispiel würden in 36 Stunden ca. 432.000 Produkte für den Versand zurückgestellt. Beim parallelen Betreib mehrerer Maschinen würde diese Zahl linear ansteigen und am Ende wären die Kosten (nur für das Warten auf die Ergebnisse) beträchtlich hoch. Aus diesem Grund ist es sinnvoll, neue Sensortechnologien zu entwickeln, um dieses Problem zu lösen. Daher liegt der Schwerpunkt dieser Arbeit auf der Weiterentwicklung eines sporenbasierten Biosensors; dieser Sensor kann die Lebensfähigkeit von Sporen nach der Sterilisation mit Wasserstoffperoxid bestimmen. Es fehlen jedoch eine reproduzierbare Immobilisierungsstrategie sowie deren Implementierung auf Sensorelementen, sowie eine detailliertere Untersuchung hinsichtlich ihres Funktionsprinzips. In dieser Arbeit wird eine Immobilisierungsstrategie für sporenbasierte Biosensoren entwickelt, um rauen Bedingungen (hohe Temperaturen, oxidierende Umgebung) standzuhalten, wo sie in der aseptischen Verpackung eingesetzt werden. Eine systematische Untersuchung der Wirkung der Oberflächenfunktionalisierung (z.B. Hydroxylierung) auf Sensoren (z.B. Elektrolyt-Isolator-Halbleiter- (EIS-) Chips) wird vorgestellt. Im Anschluss werden Organosilane bezüglich der Immobilisierung von Bakteriensporen auf verschiedenen Sensoroberflächen charakterisiert. Die elektrischen Eigenschaften derImmobilisierungsschicht sowie ihre Beständigkeit gegenüber einem Sterilisationsprozess mit gasförmigem Wasserstoffperoxid werden validiert. Zusätzlich wird ein Sensorarray bestehend aus einem kalorimetrischen Gassensor und einem sporenbasierten Biosensor zur gleichzeitigen Messung der Wasserstoffperoxidkonzentration und der Lebensfähigkeit der Sporen vorgeschlagen, um die Wirksamkeit von Sterilisationsprozessen zu bewerten.