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Marcel Wolf

• Das vorgestellte Projekt dient als Proof-of-Concept für ein System zur schnellen mikrobiellen Detektion, bei dem der Gasraum über flüssigen Proben analysiert wird. Das technische Design eines Prototyps eines Musters soll in einer Machbarkeitsstudie geprüft werden. Die Untersuchung zu diesem Thema wird in Zusammenarbeit mit Airbus, Universidade Nova de Lisboa und NMT tecnologica durchgeführt. Merck ist als Entwicklungspartner für einen potenziellen pharmazeutischen Einsatz beteiligt. Daher ist das Projekt in die Task Force E-Nose integriert, die Überwachungssysteme für die Kontrolle der Umgebungsluft und die Abschätzung der mikrobiellen Belastung an Bord der ISS sowie die Atemgasanalyse von Astronauten entwickelt. Ziel dieser Entwicklung ist es, eine eigene Arbeitsgruppe zu bilden, deren Schwerpunkt auf terrestrischen Anwendungen der Weltraumtechnologie liegt. Die Entwicklung eines Prototyps eines Multi-Gefäß-Probenahmesystems, um flüssige Nährmedien in sterile oder mikrobiologisch verschmutzte Gruppen einzuordnen. Ziel dieser wissenschaftlichen Arbeit ist es, die Hypothese zu überprüfen, dass ein mikrobieller Metabolismus einen signifikanten Einfluss auf die Zusammensetzung von flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs) im Luftraum flüssiger Nährmedien haben wird. Die Beobachtung der Gasphase stellt daher eine Möglichkeit für den Echtzeitnachweis von Mikroorganismen in vitro dar. Die Mindestzeit für eine potenziell automatisierte Erkennung eines definierten Bakterienwachstums ist mit einem elektronischen Spurengasmessverfahren in Kombination mit Datenanalyse zu bestimmen. Basierend auf einer eingehenden Untersuchung des theoretischen Hintergrunds des Mikrobenwachstums und der Probenahme von VOCs wird ein automatisiertes Probenahmesystem entwickelt, um die VOC-Zusammensetzung im Kopfbereich von Nährmedien ständig zu überwachen. Um die zuvor erwähnte Hypothese und das Design der Apparatur zu überprüfen, wird eine Laborstudie durchgeführt.Aus Gründen der Praktikabilität dieser These werden die nachfolgenden Beschränkungen festgelegt. VOC-Muster im Luftraum von Nährmedien sind das Ergebnis des Gleichgewichts der gasförmigen und flüssigen Phase. Die Mischung aus breitbandigen Nährmedien und Mikroorganismen bildet ein komplexes Stoffwechselsystem mit sich ändernden Bedingungen über die Lebensdauer einer Belastung. Der theoretische Hintergrund biochemischer Prozesse wird nur in der notwendigen Tiefe dargestellt, um die Kausalität von Wachstum und Stoffwechsel von Mikroorganismen zu verstehen. Um eine umfassendere Beschreibung der Prozesse zu erhalten, wird der Leser gebeten, sich mit akademischer Literatur der relevanten Bereiche zu befassen. Die Erfassung mikrobieller Belastungen über VOC-Emissionen wird als wachstumsbasierte Methode klassifiziert und kann daher erst nach einer bestimmten Wachstumszeit Me-Tabolismus-Produkte erkennen. Eine Erkennung von toten Zellen ist nicht möglich. Die Nachweisgrenze für lebende Zellen soll untersucht werden. Die Auswahl der getesteten Mikroorganismen für die Prüfung der pharmazeutischen Sterilität wird von der WHO in The International Pharmacopoe-ia festgelegt. Die kurze Vorlaufzeit in diesem frühen Entwicklungsstadium führt zu einer Abweichung der Stämme von den jeweiligen Standardmikroorganismen. Dies wirkt sich jedoch nicht auf die allgemeine Fähigkeit aus, die technische Wettbewerbsfähigkeit eines auf VOC-Emissionen basierenden Systems zu bewerten.
• The presented project is carried out as a proof of concept for a rapid microbial detection system, analysing the gaseous headspace over liquid samples. The technical design of a prototype sampling unit shall be examined in a feasibility study. The investigation on this topic is conducted in cooperation with Airbus, Universidade Nova de Lisboa and NMT tecnologica. Merck is involved as a development partner for a potential pharmaceutical use. Therefore, the project is integrated into the E-Nose task force, which is developing monitoring systems for environmental air control and microbial load estimation onboard the ISS, as well as breath gas analysis on astronauts. Forming a separate work group, focusing on terrestrial applications of space technology, the target of this development is to develop a protype of a multi vessel sampling system to classify liquid nutrition media into groups of sterile or microbiological polluted. The aim of this academic work is to verify of the hypothesis that a microbial metabolism will show a significant effect on the composition of volatile organic compounds (VOCs) in the headspace of liquid nutrition media. The observation of the gaseous phase therefore represents an opportunity for real-time detection of microorganisms in vitro. The minimum time for a potentially automated detection of a defined bacterial growth shall be deter-mined using an electronic trace gas sensing method combined with data analysis. Based on an in-depth research of the theoretical background of microbial growth and the sam-pling of VOCs, an automated sampling setup is developed to constantly monitor the VOC composition in the headspace of nutrition media. To verify the formerly mentioned hy-pothesis and the design of the apparatus, a laboratory study is conducted. For practicability reasons of this thesis, the subsequent restrains are established. VOC patterns in the headspace of nutrition media are a result of equilibrium of the gaseous and liquid phase. The mixture of broadband nutrition media and microorganisms form a complex metabolic system with changing conditions over the lifespan of a strain. The theoretical background on biochemical processes is presented only in the necessary depth to understand the causality of growth and metabolism of microorganisms. To ob-serve a more comprehensive description of the processes involved, the reader is encour-aged to address academic literature of the relevant fields. The detection of microbial loads via VOC emissions is classified as a growth-based method and thus can only spot me-tabolism products after a certain time of growth. A detection of dead cells is not possible. The limit of detection for live cells is to be investigated. The selection of tested microor-ganisms for pharmaceutical sterility testing is specified in The International Pharmacopoe-ia by the WHO. The short lead time on this early stage of development lead to a variation of strains from the respective standard microorganisms. This does, however, not affect the general ability to rate the technical competitiveness of a VOC emission-based system.