Sporen-Aerosol-Generator

Der erste Prototyp des Sporen-Aerosol-Generators appliziert einen horizontalen Luftstrom auf Pilzkulturen. Somit ist die Erzeugung von Bioaerosolen auf eine kontrollierbare und einfache Weise möglich. Dieser Aerosolisierungsaufbau wurde in der genannten Publikation beschrieben und erlaubt nach Angaben der Autoren verschiedene Betriebsmodi durch Veränderung der Luftgeschwindigkeit. Bei niedrigen Luftgeschwindigkeiten, die auf die Pilzkulturen aufgebracht werden, ist eine Aerosolisierung von Pilzfragmenten mit einer Größe unter 1 µm möglich. Um Pilzsporen zu aerosolieren, muss die Luftgeschwindigkeit erhöht werden (Lee et al., (2009)).

Zweck

Das Projekt „Advanced Spores Monitoring“ (ASMO) der Hochschule Luzern ist ein Innosuisse-Projekt, in dem Agroscope und Swisens gemeinsam an der Umsetzung eines Echtzeit-Aflatoxin- und Sporenmonitorings für die lebensmittelverarbeitende Industrie arbeiten.

Um das Projektziel zu erreichen, müssen Pilzsporen mit dem Luftstromzytometer Swisens Poleno gemessen werden, das mit holografischer Bildgebung und Fluoreszenzmessungen wertvolle Informationen über Bioaerosolpartikel liefert.

Es wird erwartet, dass sich die Fluoreszenzemission von Pilzsporen und Partikeln im Allgemeinen ändert, wenn sie aerosolisiert werden, indem sie ihre Umgebung oder ihren Zustand verändern. Daher wird eine schonende Aerosolisierungsmethode benötigt, die leicht kontrollierbar ist und den natürlichen Zustand der Sporen bewahrt. Die Erzeugung eines Datensatzes von unveränderten Partikeln ist entscheidend, um sie schließlich in ihrer natürlichen Umgebung zu erkennen und zu klassifizieren.

Entwicklung und Design

Mit einem ähnlichen Aerosolisierungsaufbau, der von der Swisens AG entworfen und gebaut wurde, konnten wir die in der wissenschaftlichen Veröffentlichung von Lee et al. (2009) beschriebenen Ergebnisse reproduzieren.

Der von unserem Engineering gebaute Prototyp ist für die Aufnahme von Petrischalen mit einem Durchmesser von bis zu 100 mm ausgelegt. Die Petrischale wird auf der Grundplatte positioniert und durch drei Metallklammern festgehalten. Um einen horizontalen Luftstrom auf die Pilzkulturen aufzubringen, wird ein Rohr mit horizontalen Düsen in der Mitte platziert, wie in Abbildung 1 zu sehen. Um den Aerosolgenerator für Petrischalen mit unterschiedlichen Größen und Nährböden anzupassen, kann die Höhe des Düsenrohrs verändert werden.

Die Eingangsluft wird von einer Vakuumpumpe geliefert, die einen Luftstrom von 1 bis 8 l/min erzeugen kann. Bei sechs Düsen mit einem Durchmesser von 0,7 mm führt dies zu einer Luftgeschwindigkeit von bis zu 58 m/sec auf dem Pilz.

Bei Verwendung einer externen Vakuumpumpe hat der Aerosolgenerator einen Arbeitsbereich wie in Abbildung 2 zu sehen. Es ist jedoch möglich, die Luftgeschwindigkeit auf der Pilzoberfläche mit einer Druckluftquelle zu erhöhen, die einen höheren Luftstrom unterstützen kann

Zerstäubungsaufbau

Die vom Sporen-Aerosol-Generator erzeugten Bioaerosole werden in eine Aerosolkammer geleitet, die sich am Aerosoleinlass des Swisens Poleno befindet. Die Aerosolkammer verdünnt das erzeugte Bioaerosol und sorgt dafür, dass der nominale Ansaugluftstrom des SwisensPoleno von 40 l/min eingehalten wird, da der Sporen-Aerosol -Generator maximal 8 l/min liefert. Er wird in die Bodenplatte der Aerosolkammer eingesteckt und kann zum Wechseln der Petrischale einfach abgenommen werden.

Erste Experimente und vorläufige Ergebnisse

Um den Zerstäubungsaufbau zu testen und das Design unseres Prototyps zu verifizieren, führten wir Messungen mit dem Pilz Aspergillus flavus durch. Die Konidiensporen von Aspergilus flavus sind kugelförmig und haben einen Durchmesser von 3 bis 6 µm. Die Sporen lösen sich von den pilzlichen Fortpflanzungsstrukturen (Conidiophoren) als einzelne Partikel, als Ketten von mehreren Sporen oder als Agglomerate von mehreren Ketten von Konidien (Abbildung 5).

Für dieses Experiment wurde eine Petrischale mit Aspergillus flavus in den Sporen-Aerosol-Generator gestellt und der Luftstrom auf 8 l/min eingestellt, was zu einer Luftgeschwindigkeit von ca. 55 m/sec auf der Pilzoberfläche führt. Mit diesen Einstellungen waren wir in der Lage, Sporenaerosole mit einer Konzentration von bis zu 8000 Partikeln pro Kubikmeter für ca. 30 Minuten zu erzeugen, wie in der oberen Grafik von Abbildung 4 zu sehen ist. Um sicherzustellen, dass es sich bei den gemessenen Sporen nicht um spontane Entladungen handelt, wurde eine Kontrollprobe mit einem zweiten Swisens Poleno gemessen. Der Vergleich dieser Konzentrationen zeigt deutlich, dass der Sporen-Aerosol-Generator eine 200-mal höhere Spitzenkonzentration als die Kontrollprobe erzeugt, daher können spontane Entladungen von Sporen ausgeschlossen werden.

Als Ergebnis wurden unterschiedliche Erscheinungsbilder der vom Pilz aerosolierten Sporen gemessen. In den holografischen Aufnahmen des Swisens Poleno sind die Konidien von Aspergillus flavus zu erkennen. In der Abbildung 5 ist eine Auswahl der gemessenen Sporen dargestellt, während die Abbildungen 5b und 5c Sporenketten und Sporenagglomerate zeigen.

Ausblick

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass wir mit dem beschriebenen Aufbau einen Schritt weiter in Richtung Echtzeitmessung und -analyse von Pilzsporen sind. Inzwischen wollen wir diese Aerosolisierungsmethode auf andere Pilzarten mit Sporen unterschiedlicher Größe anwenden, um Datensätze mit einer Vielzahl von Sporentypen zu generieren. Die Echtzeit-Identifikation von Pilzsporen mit dem SwisensPoleno mittels holographischer Bildgebung und Fluoreszenzspektroskopie kann dann in Angriff genommen werden.

Wenn Sie mehr Informationen zu diesem Thema haben möchten, senden Sie uns bitte Ihre Fragen und Wünsche.