MaUS - Mikroreaktorensystem zur autonomen Untersuchung von Schimmelpilzbelastungen

Das zugrunde liegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) unter dem Förderkennzeichen 031A257A-D gefördert. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt bei der AutorIn.

Aufgrund des ubiquitären Vorkommens sowie der anspruchslosen Lebensweise stellen Schimmelpilzen – gerade im Bereich der (Nahrungsmittel) Logistik – aber auch in Lagerstätten wie z.B. Archiven ein immenses Problem dar. Durch den Befall mit Mikroorganismen kommt es immer wieder zum Verlust ganzer Containerladungen und somit zu einem großen materiellen und wirtschaftlichen Schaden. Aber auch in Archiven kann ein unbemerkter Schimmelpilzbefall große Schäden verursachen und schlimmstenfalls archivierte Dokumente und Bücher unwiederbringlich zerstören.

Ziel des vorliegenden Projekts war es, ein autonomes System zum Nachweis von Schimmelpilzbefall über die Luft zu entwickeln, welches jederzeit Rückschlüsse sowohl auf den Zustand transportierter Güter (am Beispiel von Bananen), als auch des Archivguts während des Transports/der Lagerung ermöglicht.

Ein solches automatisiert, arbeitendes Messsystem sollte in Form eines Bioreaktors realisiert werden, der eine Anzucht der nachzuweisenden Schimmelpilze ermöglicht. Als Bioreaktoren sollten nährmediengefüllte Kavitäten auf einer Messplatte dienen. Die zunächst durch eine Membran steril verschlossenen Kavitäten sollten zu einem gegebenen Zeitpunkt durch Sprengung der Membran geöffnet und in der Folge durch einen Ansaugungsprozess mit Container-/Archivraumluft beaufschlagt werden. Die in der Luft befindlichen Sporen gelangen so auf das Nährmedium und können auskeimen. Das Wachstum der Schimmelpilze sollte anschließend durch eine pH-Wert-Änderung/Trübung des Mediums nachgewiesen werden.

Teilbereich der Archive konnte das Konzept der Bioreaktoren erfolgreich umgesetzt werden und wurde zudem um ein Kamerasystem erweitert. Letzteres ermöglicht mit Hilfe einer Datenbank sowie einer Bildanalysesoftware die Erkennung und Quantifizierung von Sporen und stellt somit ein System zur autonomen Überwachung der Raumluft - insbesondere von Archivräumen - auf Schimmelpilzsporen dar.

Im Teilbereich der Container hingegen konnte das ursprüngliche, auf der Anzucht von Schimmelpilzen in Bioreaktoren basierende Konzept nicht umgesetzt werden. Die Ursache hierfür liegt zum einen in den biologischen Gegebenheiten (Lebenszyklus bananenpathogener Schimmelpilze, Luftgängigkeit der Sporen) begründet, zum anderen jedoch auch in der Art der Warenverpackung, welche eine Freisetzung auch luftgängiger Sporen stark einschränkt sowie der enormen Hintergrundbelastung der Containerluft mit Schimmelpilzsporen. Daher wurde das Anfangskonzept zu einem indirekten Nachweissystem für Schimmelpilzwachstum in Form eines mehrschichtigen „Fungal Risk Monitors“ überarbeitet. Dieser soll Messparameter sowohl in den Packstationen als auch in den Transportcontainern selbst erfassen und so eine Risikoeinschätzung ermöglichen, die die Wahrscheinlichkeit des Warenverderbs wiederspiegelt. Während sich die Entwicklung eines „Farm Control Systems“ für die Packstationen im Zeit- und Kostenrahmen dieses Projekts nicht umsetzen ließ, wurde jedoch ein Box-Sensor realisiert. Dieser erfasst neben Luftfeuchtigkeit und Temperatur insbesondere Faktoren im Container, die auf eine Stoffwechselaktivität der Bananenpflanzen hinweisen (CO2, O2 und Ethylen) und somit Rückschlüsse auf ein Schimmelpilzwachstum zulassen.

Somit wurden während der Projektlaufzeit sowohl im Teilbereich der Archive, als auch im Teilbereich der Container Labormuster realisiert, die jedoch aktuell von einem marktreifen Produkt noch weit entfernt sind. Hierfür sind, im Anschluss an die im vorliegenden Projekt getätigten Grundlagenforschungen, weitere Arbeiten notwendig. Die Weiterentwicklung des „Fungal Risk Monitors“ erscheint dabei als durchaus erstrebenswert, da hier ein großes Marktpotential vorliegt. Ein mindestens ebenso großes Marktpotential ist für das kamerabasierte Sensorsystem zu erwarten, da hier durch eine einfache Anpassungsmöglichkeit des Detektionsspektrums ein großer Anwendungsbereich erschlossen werden kann.