Olten (CH) Online Ueberwachung von Bioprozessen mit ATR-IR oder NIR: Vor und Nachteile. [Dr. Florian Eigenmann]

Transkript

1 Olten (CH) Online Ueberwachung von Bioprozessen mit ATR-IR oder NIR: Vor und Nachteile [Dr. Florian Eigenmann]

2 Agenda Einleitung MIR-NIR, Nachweisgrenzen, Interpretation,... Realisierte Fermentationsreaktionen: Off-line, At-line mit MIR On-line mit NIR Transflektions-Sonde: Vorteile für Fermentationen Fermentations-Machbarkeitsstudie NIR, MIR-ATR Zusammenfassung, MIR als Alternative mit Limiten

3 ν(ch)-schwingung von CHCl 3 im MIR & NIR Absorbanz MIR & NIR (d = 25 µm) NIR (d = 1 mm) NIR 3ν (CH) 2ν (CH) ν (CH) MIR Wellenzahl / cm -1

4 Fermentations-Reaktionen: Komponenten? Glukose (Glc) Laktat (Lac) Glutamin (Gln) Ammonia (Amm) Glutamat (Glu)

5 Fermentations-Reaktionen

6 Anforderungen an das Mess-System Genauigkeit (besser als 0.1% -> 1g/l) Online Messung (sofortige Analyse, Datenacquisition < 10min) Steuerung möglich Einfluss auf den laufenden Prozess -> Semi-Batch Langzeitstabilität, über mehrere Tage (ca. 3-5 Tage) Mehrere Reaktoren

7 Typische Konzentrationslimiten in Wasser? 100% 10% 1% 0,1% 0,01% 0,001% Raman: 1% (= 10 g/l) (extrem substanzabhängig) NIR: 0,1% (= 1 g/l) Im MIR kann eine 1-2 Grössenordnungen höhere Empfindlichkeit erreicht werden! ABER: Anwendung NICHT MÖGLICH mit Standard Messzubehören (z.b. Einfach-reflexions ATR) in einem Standard Spektrometer (DTGS- Detektor)!

8 IR-Mikrotiterplatten-Modul HTS-XT Aber: Off-line Proben am Tag Ref: BIOforum Dezember 2002; M. Rhiel, M. Boese; Bioprozess-Informationen

9 Prozessverlauf online verfolgen Mischvorgänge Glucose Glc MIR Amm MIR Bioprofile Off-Line Max. Ausbeute von Prod. B A B C Ammonia Zeit / h Reaktionsverfolgung mit Steuerung des Feeds

10 Fermentation Resultate mit MATRIX-F und Transflektions-Sonde 2007

11 NIR Resultate mit MATRIX-F und Transflektionssonde

12 NIR Resultate mit MATRIX-F und Transflektionssonde

13 NIR Resultate: Glukose und Laktat (PLS)

14 Prinzip der Transmission

15 Prinzip der Transflektion 1 mm Distanz 2 mm optische Distanz

16 Transflektionssonde Applikationen: Milchige reflektierende Proben (Suspensionen, Emulsionen) wie Fermentationen Polymer-Emulsionen Milch Cream Detektion von transmittiertem and reflektiertem Licht

17 On-Line Lösung: Matrix-MF Messgeschw.: 5 scans/sec bei 8 cm -1 Wellenzahlgenauigkeit: besser als 0.1 cm 2000 cm -1 Interferometer: RockSolid Detektor: TE-DTGS N 2 gekühlter MCT (12h) closed cycle MCT mit Cryocooler

18 Diamant ATR Sonde IN350-T ATR-Element: Diamantprisma 2x45 Reflexionen Sondendurchmesser: 6mm Sondenmaterial: Hastelloy, vergoldet Optische Faser: Silberhalogenide mit spezieller Kernmantel- Technologie, Durchmesser: 1mm Spektralbereich: cm -1 Faserlänge: 2 x 1.5 m Temp: -100 < T < 180 C Druck: bis 300 bar

19 IN350-T Vergleich mit ATR-Einheiten Gesamtes Spektrum Diamant-ATR: 1x IN350-T: 2x ZnSe-ATR: 6x Ausschnitt Messbedingungen: Res. 4 cm -1, 32 Scans Ethanol Diamant-ATR: 1x IN350-T: 2x ZnSe-ATR: 6x Dr. Lukas Küpper, infrared fiber sensors,

20 Gegenüberstellung online NIR/MIR NIR MIR Lange Lichtleiter möglich Distanz eingeschränkt < 5m (0-200m) Chemometrie notwendig Limiten: 0.1, 0.2% Interpretation schwierig + = Kalibrationstransfer möglich Oft auch univariate Kalibration möglich Limiten: ppm Interpretation einfach - Funktionelle Gruppen - Fingerprint Transfer z.t. möglich

21 Machbarkeitsstudie mit Matrix-F und MF Matrix-F NIR-Sonde Matrix-MF ATR-Sonde

22 Machbarkeitsstudie mit Matrix-F und MF

23 Machbarkeitsstudie mit Matrix-F und MF NIR-Sonde ATR-Sonde

24 Machbarkeitsstudie mit Matrix-F und MF NIR-Sonde ATR-Sonde

25 Kalibrationsdesign für Chemometrie Kalibrationsdesign mit geringer Komponenten- Korrelation

26 Visuelle Betrachtung der NIR-Spektren Verlauf:

27 Visuelle Betrachtung der NIR-Spektren keine Unterschiede feststellbar Vektornormierung 2. Ableitung, 17 Glättungspunkte Verlauf:

28 Visuelle Betrachtung der MIR-Spektren Vektornormierung 2. Ableitung, 17 Glättungspunkte Verlauf:

29 Visuelle Betrachtung der MIR-Spektren Vektornormierung 2. Ableitung, 17 Glättungspunkte Verlauf:

30 NIR-Resultate

31 NIR-Resultate MIR

32 Ammonia (Amm) < 20 ppm

33 Glukose (Glc) < 100 ppm

34 Glutamine (Gln) < 90 ppm

35 Glutamat (Glu) < 80 ppm

36 Laktat (Lac) < 60 ppm

37 Prozessverlauf der Fermentation Glc MIR Amm MIR Bioprofile Off-Line Zeit / h

38 Prozessverlauf der Fermentation Glc MIR Amm MIR Bioprofile Off-Line Zeit / h

39 Prozessverlauf der Fermentation Glucose Glc MIR Amm MIR Bioprofile Off-Line Zeit / h

40 Prozessverlauf der Fermentation Glucose Glc MIR Amm MIR Bioprofile Off-Line Ammonia Zeit / h

41 Zusammenfassung: Alternative MIR-ATR Nachteil: Länge der MIR Lichtleiter Standard: 1.5m (bis 5m möglich) MIR Applikation ist eine prüfenswerte Alternative bei Messungen an der Detektionsgrenze von NIR. Online Messungen mit dem FT-MIR und der ATR Sonde bietet gegenüber Off-Line Applikationen (HTS- XT) nennenswerte Vorteile: z.b. Steuerung von Semi-Batch Prozessen oder Endpunktbestimmung. Besseres QbD-Konzept Keine Konzentrationsgradienten an der Sonde. Keine Luftblasen, einfache Reinigung

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