Die Echtzeitüberwachung von Reaktionsprozessen mit Hilfe der optischen Spektroskopie hat in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. Dabei sind insbesondere die Raman- und Mittelinfrarot- (MIR-) Spektroskopie für die spezifische Detektion von Molekülen geeignet, da beide Methoden auf der Anregung von Grundschwingungen basieren. Diese analytischen Methoden sind nicht-invasiv, schnell und ermöglichen zudem die gleichzeitige Bestimmung mehrerer Analyten ohne Probennahme bzw. -aufbereitung. Typische spektroskopische Messaufbauten für die Prozessüberwachung in der Flüssigphase bestehen dabei aus einem Spektrometer, einer Lichtquelle und einer faseroptischen Immersionssonde (Tauchsonde) welche in direktem Kontakt zum untersuchten Prozess steht. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden verschiedene Raman- und MIR-Systeme für die In- bzw. Online-Überwachung von Analyten (z.B. Glucose) während aerober Batch-Fermentationen von S. cerevisiae angewendet sowie deren Vor- und Nachteile in Bezug auf eine Prozessimplementierung in der chemischen und biotechnologischen Industrie diskutiert. Das erste Beispiel ist die gleichzeitige Prozessüberwachung mit kommerziellen Raman- und MIR-Spektrometeraufbauten zur Bestimmung der zeitlichen Konzentrationsverläufe von Glucose, Ethanol und Biomasse. Um die gemessenen Raman-Intensitätsspektren und die MIR-Absorptionsspektren den entsprechenden Analytkonzentrationen zuzuordnen, wurden Multiple Lineare Regressions- (MLR) und Partial Least Squares (PLS) Regressionsmodelle erstellt. Zur Kalibration und als Referenzanalytik für die Bestimmung der Ethanol- und Glucosekonzentrationen dienten HPLC-Analysen der aus dem Reaktor entnommenen Proben, wobei die Biomasse gravimetrisch bestimmt wurde. Dabei waren die PLS-Modelle den vergleichsweise einfachen aber analytspezifischen MLR-Modellen, welche jedoch zur Simulation von Photometer- bzw. Sensorsystemen verwendet werden können, überlegen. Für eine bestimmte multivariate Analysenmethode (MLR oder PLS) lagen die Kalibrations- (RMSEC) und Vorhersagefehler (RMSEP) für beide spektroskopische Methoden in der gleichen Größenordnung. Die Fermentationsüberwachung mit Hilfe der MIR-Spektroskopie in Kombination mit PLS-Modellen resultierte in Vorhersagefehlern von 0,68 g L–1 (2 % relativer Fehler), 0,48 g L–1 (5 %) und 0,37 g L–1 (2 %) für Glucose, Ethanol und Biomasse. Für die Raman-Spektroskopie betrugen die entsprechenden RMSEP-Werte 0,92 g L–1 (3 %), 0,39 g L–1 (4 %) und 0,30 g L–1 (2 %). Das zweite Beispiel demonstriert die Anwendung eines im PI-Institut entwickelten Vierkanal-MIR-Sensors, welcher auf der Methode der abgeschwächten Totalreflexion (ATR) beruht und für die gleichzeitige Verfolgung von Glucose und Ethanol in der Flüssigphase eingesetzt wurde. Der MIR-ATR-Sensor besteht aus einem gepulsten IR-Strahler als Lichtquelle, einem ATR-Prisma aus Zinkselenid und vier Thermopiles, wobei jeder dieser thermischen Detektoren mit einem optischen Bandpassfilter ausgestattet ist. Die Prozesstauglichkeit des Sensors wurde dabei mit einem Fourier-Transformations- (FT-) MIR-Spektrometer verglichen, wobei die gesamte Messdatenerfassung bei beiden Systemen online in einem Bypass erfolgte. Die Kalibration von Sensor und Spektrometer erfolgte mit Hilfe der MLR. Für den Sensor betrugen die Vorhersagefehler 6,15 g L–1 (6 % relativer Fehler) und 1,36 g L–1 (5 %) für Glucose und Ethanol. Mit dem FT-MIR-Spektrometer wurden RMSEP-Werte von 4,34 g L–1 (4 %) und 0,61 g L–1 (2 %) erzielt. Die Vorteile solcher optischen Mehrkanal-Mittelinfrarot-Sensoren im Vergleich zu FT-MIR-Spektrometeraufbauten sind die Kompaktheit, die einfache Prozessimplementierung sowie der niedrigere Preis. Das dritte Beispiel zeigt den Einsatz einer ebenfalls im PI-Institut entwickelten Ramansonde welche eine kontaktlose Inline-Messung durch optische Schaugläser oder Glasmäntel von Fermentern und chemischen Reaktoren ermöglicht. Eine solche Sonde wurde konzipiert, um potentielle Probleme bei der Implementierung von Standard-Immersionssonden wie Kontamination, Biofilmbildung an der Sondenspitze und hohe Installationskosten in industriellen Anlagen zu vermeiden. Die praktische Einsatzfähigkeit der Ramansonde wurde bei der gleichzeitigen Überwachung des Glucoseabbaus und der Bildung des Produkts Ethanol getestet. Um zusätzlich Sensor-Aufbauten anstelle von kostenintensiven Spektrometersystemen zu simulieren, wurden zur Auswertung der Raman-Spektren MLR-Modelle verwendet, wodurch die spektralen Informationen auf Intensitäten in wenigen analytspezifischen Bereichen limitiert wurden. Die Vorhersagefehler für Glucose und Ethanol betrugen etwa 5 g L–1 (5 % relativer Fehler) und 1 g L–1 (3 %). Die vorgestellte kontaktlose Ramansonde ermöglicht eine einfache Adaption an eine Vielzahl von Prozessen in der chemischen und biotechnologischen Industrie. Anhand der drei vorgestellten Beispiele werden die erzielten Resultate mit einem detaillierten Überblick zu aktuellen Analysesystemen ergänzt und neueste Entwicklungen im Bereich der Raman- und MIR-ATR-Spektroskopie für die Echtzeitüberwachung von Fermentationsprozessen beschrieben.


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    Titel :

    Bioprozessanalytik mittels Raman- und MIR-ATR-Spektroskopie


    Weitere Titelangaben:

    Bioprocess monitoring using Raman and MIR-ATR spectroscopy


    Beteiligte:
    Schalk, Robert (Autor:in) / Technische Universität Berlin (Gastgebende Institution)

    Erscheinungsdatum :

    2019



    Medientyp :

    Sonstige


    Format :

    Elektronische Ressource


    Sprache :

    Deutsch



    Klassifikation :

    DDC:    629