Thermo Prima PRO and Prima BT Process Mass Spectrometers - Quantitative analysis of bioethanol in biofuel production processes

Význam tématu

Bioethanol představuje klíčový obnovitelný zdroj energie snižující emise skleníkových plynů a závislost na ropě. Druhá generace bioethanolu využívá lignocelulózovou biomasu, takže odpadní suroviny jako zemědělské a dřevní zbytky slouží k udržitelnější výrobě paliva. Pro optimalizaci fermentačních procesů je nezbytné kontinuální sledování spotřeby kyslíku, evoluce oxidu uhličitého a tvorby etanolu v reálném čase.

Cíle a přehled studie

Cílem aplikace bylo porovnat průmyslové (Prima PRO) a vývojové (Prima BT) masové spektrometry s magnetickým sektorem pro on-line kvantitativní analýzu bioethanolu a souvisejících plynů během fermentace. Studie ukazuje přesnost, stabilitu a provozní výhody oproti kvadrupolovým přístrojům.

Použitá metodika a instrumentace

• Masové spektrometry Prima BT a Prima PRO založené na magnetickém sektoru
• Rapid Multistream Sampler pro vícenásobné průtoky fermentorů
• Sledování N2, O2, Ar, CO2 a Volatilních organických látek (zejména etanolu)
• Přepracovaný iontový zdroj s sklem vyloženým vstupním kanálem pro zrychlení odezvy na etanol
• Software GasWorks pro optimalizaci rychlosti analýzy a zobrazení dat (%mol, ppm)

Hlavní výsledky a diskuse

• Magnetický sektor vs. kvadrupól: až desetinásobně lepší přesnost a stabilita, kalibrace jednou za měsíc namísto týdne
• Stabilita měření referenčního vzduchu: O2 ±0,01 mol %, CO2 ±5 ppm bez kalibrace po 1 týdnu
• Fragmentační vzor etanolu: volba m/z 31 (CH3O+) pro minimalizaci interference CO2
• Lineární odezva etanolu v rozsahu 100–1000 ppm, maximální odchylka do 6 % oproti certifikované hodnotě
• Redesign iontového zdroje: snížení doby nárůstu signálu z 12 min na <1 min a dobu ustálení z 90 s na <20 s při 100 ppm etanolu

Přínosy a praktické využití metody

Online masová spektrometrie poskytuje nezbytné kinetické informace o fermentaci, umožňuje rychlou identifikaci optimálních kmenů, zkracuje dobu vývoje a minimalizuje offline odběry. Vysoká dostupnost zařízení (>99,8 %) a nízké nároky na údržbu zajišťují nepřetržitou kontrolu velkokapacitních fermentorů.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Rozšíření na další biotechnologické procesy (bioplast, biopesticidy, farmaceutika)
• Další optimalizace iontových zdrojů a detekčních systémů pro vyšší citlivost
• Integrace datové analytiky a strojového učení pro prediktivní řízení fermentace
• Propojení do konceptu Průmysl 4.0 a vzdálené monitorování kontinuálních bioprocesů

Závěr

Thermo Scientific Prima BT a Prima PRO s magnetickým sektorem představují špičkové nástroje pro on-line řízení fermentační výroby bioethanolu. Kombinace vysoké přesnosti, stability a rychlosti měření dovoluje optimalizovat proces, minimalizovat provozní náklady a urychlit nasazení nových biotechnologií.

Reference

1. Renewable Fuels Association. World Fuel Ethanol Production. 2017
2. Traynor P., Wright R., Conroy N. Optimization of next generation bioethanol production. Hydrocarbon Engineering, červen 2008