Photobioreactor ethanol quantitation and optimization using the Thermo Scientific Prima BT bench top mass spectrometer

Aplikace | 2021 | Thermo Fisher ScientificInstrumentace
GC/MSD
Zaměření
Průmysl a chemie
Výrobce
Thermo Fisher Scientific

Význam tématu


Procesní kvantifikace ethanolu, oxidu uhličitého a kyslíku v reálném čase má klíčový význam pro optimalizaci biotechnologických postupů, například fotosyntetických fotobioreaktorů. Rychlé a přesné sledování plynné fáze umožňuje zkrátit dobu vývoje, zlepšit výtěžnost a snížit náklady spojené s odběry vzorků a laboratorními analýzami.

Cíle a přehled studie / článku


Cílem studie bylo demonstrovat výhody laboratorního magnetického sektorového hmotnostního spektrometru Thermo Scientific Prima BT při on-line sledování ethanolu, CO2 a O2 z fotobioreaktorů. Autoři porovnali výkon s kvadrupólovým MS, ověřili linearitu, stabilitu a přesnost při nízkých koncentracích ethanolu a provedli testy hmotnostní bilance pro hodnocení úplnosti vzorkování.

Použitá metodika


Analýza probíhala vlynemní on-line odběrem plynné fáze z fotobioreaktorů udržovaných na 80 až 100 °C pomocí vyhřívaných vzorkovacích linek. Vzorkovací průtok 0,2–1,0 l/min byl filtrován a regulačně odstabilizován. Iontizace vzorku probíhala elektronovým nárazem, separace hmot probíhala na magnetickém sektoru skenováním významných m/z hodnot pro H2O, N2, O2, Ar, CO2 a fragment ethanolu CH2OH na m/z 31. Kalibrace interference O2 na signál ethanolu a CO2 na signál N2 vycházela z kalibračních plynů. Pro ověření kompletnosti odběrů byl vyhodnocen hmotnostní tok ethanolu porovnáním hmotnosti ztracené z kapalné fáze měřené GC-HS a měřené hmotnostní koncentrace v odpadním proudě.

Použitá instrumentace


  • Thermo Scientific Prima BT bench top MS s magnetickým sektorem
  • Modifikovaný iontový zdroj se skleněným vstupem pro rychlejší odezvu a kratší časy ustálení
  • TurboDrag pumpa, předfiltr, regulátor tlaku a víceportový selector vzorkovacích proudů
  • Detektory Faraday a S.E.M.
  • Řídicí procesor s rozhraním Modbus RTU pro přenos dat do SCADA/DAS

Hlavní výsledky a diskuse


  • Magnetický sektor se ukázal desetkrát stabilnější a přesnější než kvadrupólové zařízení, vyžaduje měsíční kalibraci oproti týdenní u kvadrupólu.
  • Linearita ethanolu byla potvrzena od 20 do 1000 ppm s odchylkami pod 7 procent.
  • Modifikovaný iontový zdroj se skleněným vstupem zkrátil dobu nárůstu signálu z 12 minut na méně než 1 minutu a dobu ustálení z 90 s na méně než 20 s při 100 ppm ethanolu; při vyšších koncentracích (400 ppm) doba ustálení klesla pod 30 s.
  • Testy hmotnostní bilance vyžadovaly kontakt s kapalnou fází a hmotnostním spektrometrem. Použití skleněného vstupu umožnilo návratnost bilance lepší než 4 procenta až do 20 ppm, kdežto standardní zdroj vykazoval odchylky až -14,2 %.
  • On-line monitoring dvou fotobioreaktorů umožnil sledování 12hodinových světelných a tmavých cyklů, kdy koncentrace ethanolu rostla v osvětlené fázi a klesala pasivním odběrem v tmě. Jeden běh vykázal mezi běhy rozdíl 18 % v maximálním ethanolu.

Přínosy a praktické využití metody


  • Zásadní zrychlení vývoje a optimalizace produkčních kmenů díky okamžité zpětné vazbě bez nutnosti oddělených odběrů.
  • Snížení provozních nákladů a personální zátěže laboratorních analýz.
  • Možnost simultánního sledování více komponent a reaktorů.
  • Robustní provoz s provozním časem nad 99,8 % a minimální údržbou.

Budoucí trendy a možnosti využití


Vzhledem k výhodám magnetického sektorového MS lze očekávat širší implementaci on-line MS v bioprodukčních procesech, zejména v oblasti výroby biopaliv a biofarmaceutik. Další rozvoj se zaměří na plnou automatizaci kalibrace, rozšíření spektrálního rozsahu pro sledování složitějších směsí a integraci s umělou inteligencí pro prediktivní optimalizaci procesů.

Závěr


Studie potvrdila, že Thermo Scientific Prima BT bench top MS s magnetickým sektorem poskytuje vysokou přesnost, stabilitu a rychlou odezvu pro on-line kvantifikaci ethanolu, CO2 a O2 z fotobioreaktorů. Modifikace iontového zdroje se skleněným vstupem významně zlepšila detekční limity a rychlost měření nízkých ethanolu. Tato technologie usnadňuje optimalizaci bioprodukčních procesů a otevírá cestu k plně automatizovaným řídicím strategiím.

Reference


  1. Test stability zařízení bez rekalibrace po dobu jednoho týdne pro O2 a CO2
  2. Metoda korekce interferencí O2 a CO2 na signály ethanolu a dusíku
  3. Parametry GC-HS měření kapalné fáze ethanolu
  4. Výpočet využití CO2 na základě plošných integrálů koncentrací
  5. Stanovení produkce O2 z rozdílu integrovaných proudů během světelných cyklů

Obsah byl automaticky vytvořen z originálního PDF dokumentu pomocí AI a může obsahovat nepřesnosti.

PDF verze ke stažení a čtení
 

Podobná PDF

Thermo Prima PRO and Prima BT Process Mass Spectrometers - Quantitative analysis of bioethanol in biofuel production processes
Prima PRO and Prima BT Process Mass Spectrometers - Quantitative analysis of bioethanol in biofuel production processes
Thermo Scientific™ Prima PRO Process Mass Spectrometer - Improving ethylene oxide process control
Gas analysis mass spectrometer applications in fermentation and cell culture processes