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

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