Een biofilm is een gemeenschap van micro-organismen – zoals algen, bacteriën, protozoa en schimmels – die zich inkapselen in een zelfgeproduceerde cellulosematrix. Deze matrix wordt een extracellulaire polymere stof (EPS) genoemd. Het bestaat uit polysachariden, eiwitten, DNA en andere moleculen die door micro-organismen worden uitgescheiden. Wanneer een bacterie zich in een planktonische status bevindt – ofwel als vrije cel – kan het zich hechten aan een contactoppervlak in de productielijn. Als de omstandigheden goed zijn, kan deze cel vervolgens een biofilm produceren. Biofilms ontstaan alleen in vochtige omgevingen met een vast oppervlak. Wanneer de laag zichzelf heeft ontwikkeld, ziet die eruit als een slijmachtige substantie. Dit is de EPS-matrix waarin de micro-organismen zichzelf afsluiten.

Gevaar van biofilms

Biofilms zorgen voor grote problemen in de productie. Bacteriën kunnen elkaars DNA kopiëren. Dit maakt dat biofilms fungeren als collectief brein: bacteriën wisselen informatie uit en nemen eigenschappen van elkaar over. Dit maakt bacteriën sneller resistent en moeilijker te reinigen. Ook brengt het reinigen van biofilms risico’s met zich mee. Wanneer een biofilm wordt afgebroken, bevinden bacteriën zich weer in een planktonische status. In deze fase kunnen ze opnieuw een EPS-matrix bouwen en dus nieuwe biofilms ontwikkelen. Dit houdt in dat iedere bacterie die in een biofilmgemeenschap heeft geleefd, opnieuw een EPS-matrix kan produceren zodra deze is afgebroken.

Innovatief testsysteem

BOKU ontwikkelt een testsysteem waarmee producenten biofilms effectief kunnen opsporen en de reinigingscontrole kunnen versnellen. De universiteit heeft een imitatie-biofilm ontwikkeld genaamd Biomitate, dat aan een testsysteem is gekoppeld. Het testsysteem spoort niet alleen biofilms op, het beoordeelt het bestaande reinigingsproces op efficiëntie. Door gebruik te maken van de kunstmatige imitatie-EPS-matrix en innovatieve testmethoden, kunnen producenten meer inzicht krijgen in het gedrag van micro-organismen in biofilms. Hieruit moet blijken welke aandachtspunten er zijn voor het reinigingsproces, waardoor producenten effectievere reinigings- en decontaminatieconcepten kunnen ontwikkelen.

Biofilms opsporen

Volgens BOKU bestaan er meerdere methodes die biofilms opsporen maar geen van deze beoordeelt het reinigingsproces op efficiëntie. De Biomitate is gekoppeld aan een testsysteem dat de efficiëntie van het reinigingsproces controleert. Samenwerkingspartner Fraunhofer Institute for Process Engineering test dit Biomitate-testsysteem in een industriële omgeving. De Biomitate is vrij van micro-organismen en bestaat enkel uit de EPS die normaliter de matrix van conventionele biofilms vormt. Momenteel controleert Fraunhofer of er bij gebruik van de Biomitate daadwerkelijk geen sprake is van contaminatie.

Hoe werkt de Biomitate?

Het testsysteem bestaat uit verschillende stappen en methoden die de reinigingsefficiëntie tegen biofilms beoordeelt. Momenteel is het testsysteem nog in ontwikkeling. BOKU zit in de vierde fase van het onderzoek: validatie in een industriële omgeving. In deze fase wordt gekeken of het testsysteem doeltreffend is en welke aanpassingen er nodig zijn in de andere fasen van ontwikkeling. Dit is wat er tot nu toe bekend is over de belangrijkste stappen van de procedure en de ontwikkeling van het testsysteem:

1. Ontwikkeling van de Biomitate:

BOKU ontwikkelt een kunstmatige Biomitate die de structuur van een echte biofilm nabootst. Deze matrix bestaat uit eiwitten en zouten en polysachariden zoals alginaat, gellan en xanthaan. Dit zijn typische componenten die voorkomen in een exopolysacharidematrix. Ofwel: de EPS-matrix.

2. Karakterisering van de Biomitate:

Verschillende eigenschappen van de Biomitate worden gekarakteriseerd door middel van methodes vanuit de reologie en microscopie. Hierdoor kunnen wetenschappers de Biomitate vergelijken met conventionele biofilms. Zo controleren zij of de Biomitate dezelfde karakteristieke eigenschappen heeft als de conventionele variant.

3. Vergelijking met referentie:

De Biomitate wordt in de iteratieve fase vergeleken met de biofilmreferentie. Het doel is om te controleren of de Biomitate dezelfde reinigingseigenschappen kan bereiken als conventionele biofilms. Dit is noodzakelijk aangezien de Biomitate onderdeel is van het testsysteem die de reinigingsprocedure tegen biofilms beoordeelt.

4. Validatie in een industriële omgeving:

Nadat de Biomitate is ontwikkeld en vergeleken met de biofilmreferentie, wordt het testsysteem gevalideerd in een industriële omgeving.

Momenteel past samenwerkingspartner Fraunhofer Institute for Process Engineering dit testsysteem toe in een industriële omgeving. Ze kijken of de Biomitate op dezelfde manier hecht als de echte biofilms.