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A microfluidic chip integrating amperometric enzyme sensors for the detection of glucose, glutamate and glutamine in cell-culture fermentation processes has been developed. The enzymes glucose oxidase, glutamate oxidase and glutaminase were immobilized by means of cross-linking with glutaraldehyde on platinum thin-film electrodes integrated within a microfluidic channel. The biosensor chip was coupled to a flow-injection analysis system for electrochemical characterization of the sensors. The sensors have been characterized in terms of sensitivity, linear working range and detection limit. The sensitivity evaluated from the respective peak areas was 1.47, 3.68 and 0.28 μAs/mM for the glucose, glutamate and glutamine sensor, respectively. The calibration curves were linear up to a concentration of 20 mM glucose and glutamine and up to 10 mM for glutamate. The lower detection limit amounted to be 0.05 mM for the glucose and glutamate sensor, respectively, and 0.1 mM for the glutamine sensor. Experiments in cell-culture medium have demonstrated a good correlation between the glutamate, glutamine and glucose concentrations measured with the chip-based biosensors in a differential-mode and the commercially available instrumentation. The obtained results demonstrate the feasibility of the realized microfluidic biosensor chip for monitoring of bioprocesses.
Molke fällt im Rahmen der Käseherstellung allein in Deutschland in Mengen von über 11 Mio. Tonnen jährlich an. Dieses Nebenprodukt wurde trotz seines Reichtums an Milchzucker und Proteinen lange Zeit kaum industriell weiterverarbeitet und stellte ein bedeutendes Problem bei der Abwasserreinigung dar. Derzeit kommen meist kosten- und reinigungsintensive Membranfiltrationsverfahren bei der Auftrennung von Molke in ihre Hauptkomponenten Lactose und Molkenprotein zum Einsatz. Die Produkte finden vorwiegend in der Nahrungsmittelindustrie Anwendung als Süßungsmittel, Proteinzusatz oder Texturbildner. Die Mehrheit des Proteins wird dabei als Konzentrat bzw. Proteinpulver verarbeitet. Wegen der antibakteriellen, antiviralen und weiteren wertvollen physiologischen Eigenschaften der Molkeproteine stellt eine weitere Aufreinigung der einzelnen Molkeproteine für die pharmazeutische Industrie einen naheliegenden zusätzlichen Wertschöpfungsschritt dar. In Kooperation mit der Süd Chemie AG wurde damit begonnen, ein Verfahren zu entwickeln, das kostengünstige mineralische Adsorbentien verwendet. Bisher konnte die Abtrennung von Lactose von den Molkenproteinen aus verdünntem Molkekonzentrat in einem Verfahrensschritt ohne Vorbehandlung des Rohstoffs erfolgreich realisiert werden. Aktuelle Arbeiten beschäftigen sich mit der Verbesserung der Proteinbindekapazitätund chromatographischen Proteinauftrennung sowie dem Upscaling zum direkten Einsatz von Molkekonzentrat ohne Vorverdünnung.