In support of a sustainable future: How online process analytics are assisting the biofoods industry

Význam tématu

Online procesní analytika hraje klíčovou roli při škálování a optimalizaci bioprodukce potravinářských surovin (enzymy, alternativní bílkoviny, precizní fermentace). Rychlé a přesné snímání plynné fáze fermentorů dovoluje sledovat metabolismus buněk v reálném čase, zlepšovat výnosy, zkracovat vývojové cykly a snižovat náklady a ekologickou stopu výroby. V kontextu rostoucí poptávky po udržitelných potravinách a tlaků na efektivitu procesů se PAT (Process Analytical Technology) a zejména off‑gas analýza stávají zásadními nástroji pro robustní řízení fermentací.

Cíle a přehled článku

Tento application note popisuje využití online procesní hmotnostní spektrometrie (MS), konkrétně skenujícího magnetického sektoru, pro analýzu plynné fáze fermentorů v biopotravinářském průmyslu. Cílem je demonstrovat: jak MS sleduje klíčové procesní parametry (O2, CO2, N2, Ar a těkavé organické látky), jak z těchto dat odvozovat metriky jako OUR, CER a RQ, a jak tato analýza podporuje rozhodování a automatizaci ve výrobě biofood produktů.

Použitá metodika a instrumentace

Popis metodiky:

• Sběr vzorku: současné měření inlet (sparge) a outlet (off‑gas) proudů fermentoru umožňuje kvantifikovat spotřebu O2 a evoluci CO2 a dalších těkavin.
• Výpočty: CER (CO2 evolution rate) a OUR (O2 uptake rate) se odvozují z koncentrací a průtoků plynů; respiratorní kvocient RQ = CER / OUR slouží k identifikaci metabolického stavu a využitého zdroje uhlíku.
• Praktické nasazení: jedno zařízení MS v kombinaci s multi‑stream vstupním selektorem může postupně měřit desítky fermentorů při zachování přijatelné doby cyklu.

Použitá instrumentace:

• Thermo Scientific Prima BT (scanning magnetic sector) procesní hmotnostní spektrometr s Faraday detektorem.
• Víceportový vstupní selektor (multi‑stream inlet) pro přepínání mezi fermentory.
• Systém vakuace (turbo pump), cold‑cathode vakuometrie a iontový zdroj pro generaci iontů plynné fáze.
• Integrace s řídicími systémy DCS/PLC/SCADA pro export odvozených hodnot (RQ, CER, OUR) a možnou automatizaci řízení.

Hlavní výsledky a diskuse

• Rychlost a přesnost: skenující magnetický sektor poskytuje rychlé (pořizovací časy desítky sekund až jednotky sekund) a vysoce přesné měření plynů, schopné detekovat změny O2/CO2 na úrovni jednotek ppm a variace v řádu 0,002–0,005 %mol pro hlavní složky vzduchu.
• Stabilita: v testu kontinuální analýzy stlačeného vzduchu po dobu 7 dnů (cyklus 5 s) byly denní průměry dusíku a kyslíku proměnné o méně než ~0,005 %mol; CO2 vykazovalo denní odchylky ~1 ppm. To dokládá dlouhodobou stabilitu a malé požadavky na kalibraci.
• Příklad fermentace S. cerevisiae: během fed‑batch experimentu nastal přechod z metabolismu ethanolu na glukózu; po rozběhu růstu se RQ stabilizovalo přibližně kolem hodnoty 1, což indikuje dominantní oxidaci uhlíkatého substrátu. RQ přitom sloužil jako citlivý indikátor změn v metaboličnosti a přechodů fáze růstu.
• Širší analytické možnosti: kromě vzdušných složek lze měřit i těkaviny jako ethanol, methanol, amoniak nebo sulfidy, což umožňuje detekovat vedlejší produkty, kontaminace nebo specifické metabolické dráhy.

Přínosy a praktické využití metody

• Optimalizace dávkování substrátů a timing žních/ukončení fermentace na základě kontinuálního RQ a směrových trendů OUR/CER.
• Možnost centralizovaného monitoringu mnoha reaktorů s jedním instrumentem, což snižuje kapitálové i provozní náklady v porovnání s dedikovanými senzory pro každý fermentor.
• Včasné odhalení poruch, intoxikace nebo kontaminace na základě odchylek v plynné složení a výskytu nečekaných těkavin.
• Podpora automatizace a implementace řídicích strategií (např. řízení kyslíku, přídavků substrátu) pro stabilní a reprodukovatelné QbD (Quality by Design) procesy.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Propojení procesní MS s pokročilými řídicími algoritmy a strojovým učením pro prediktivní regulaci a optimalizaci výnosů a kvality produktu.
• Širší nasazení v průmyslovém měřítku pro výrobu alternativních proteinů a precizní fermentaci, kde optimalizace nákladů a udržitelnosti je klíčová.
• Integrace dat z off‑gas MS s dalšími on‑line senzory (dissolved oxygen, pH, spektrofotometrie) a offline analýzami (metabolomika, proteomika) pro hlubší procesní porozumění.
• Vývoj kompaktnějších a automatizovaných MS jednotek vhodných pro provozy s omezeným prostorem nebo pro rychlé nasazení v pilotních linkách.

Závěr

Skenující magnetický sektor procesní hmotnostní spektrometr představuje robustní, přesné a rychlé řešení pro off‑gas analýzu ve fermentačních procesech směřujících k výrobě biofood produktů. Díky vysoké stabilitě, nízkým nárokům na kalibraci a schopnosti analyzovat více plynných komponent současně je tento nástroj efektivním prostředkem PAT pro zlepšení kvality, efektivity a udržitelnosti bioprodukce. Nasazení takových analytických systémů usnadní škálování alternativních proteinů a dalších fermentačních produktů směrem k průmyslové udržitelnosti.

Reference

1. Bold Goals for U.S. Biotechnology and Biomanufacturing: Harnessing Research and Development To Further Societal Goals. Office of the President of the United States, 2023.
2. Executive Order on Advancing Biotechnology and Biomanufacturing Innovation for a Sustainable, Safe, and Secure American Bioeconomy. The White House, 2022.
3. Toulhoat H. Heterogeneous Catalysis: use of Density Functional Theory. Reference Module in Materials Engineering. Elsevier, 2016.
4. Applications of enzymes in the food industry. Creative Enzymes (industry overview and applications).
5. Five trending alternative protein sources to meat in Europe. EUFIC (European Food Information Council) – article on alternative proteins.