Theo dõi phản ứng với Máy phân tích Virsa™ Raman

Theo dõi phản ứng với Máy phân tích Virsa™ Raman

Ngành sản xuất dược phẩm sinh học có thể hưởng lợi từ các nghiên cứu có hệ thống để giảm chi phí sản xuất và đảm bảo chất lượng sản phẩm. Việc theo dõi tại chỗ nồng độ chất dinh dưỡng và chất chuyển hóa cung cấp phản hồi liên tục để các điều kiện thử nghiệm có thể được tối ưu hóa theo thời gian thực. Nếu trạng thái của phản ứng được đo liên tục, thì quá trình có thể được chấm dứt ngay lập tức ở nồng độ chất phản ứng hoặc sản phẩm được xác định trước.

Thách thức chính khi theo dõi phản ứng là tránh làm nhiễu loạn quá trình. Phổ Raman không gây hại cho hệ thống sống, có thể trích xuất thông tin hóa học từ hỗn hợp phản ứng tại chỗ và không bị cản trở bởi nước, cho phép phân tích trong dung dịch nước. Kỹ thuật này nhanh và có khả năng theo dõi định lượng nồng độ chất phản ứng và sản phẩm.

Trong ghi chú ứng dụng này, chúng tôi trình bày cách theo dõi quá trình lên men glucose thành etanol và carbon dioxide bằng nấm men theo thời gian thực, bằng cách sử dụng máy phân tích Virsa™ Raman.

Yêu cầu giám sát

Việc theo dõi những thay đổi nồng độ trong quá trình xử lý dược phẩm sinh học đòi hỏi phải phân tích Raman trước từng hóa chất để xác định giới hạn phát hiện và tối ưu hóa các thông số thử nghiệm. Glucose (chất phản ứng) và ethanol (sản phẩm) có các dải Raman mạnh ở lần lượt là 1125 cm-1 và 880 cm-1 (Hình 1), với sự chồng chéo quang phổ tối thiểu giữa hai dải này.

Thông thường, cường độ của các dải Raman thay đổi tuyến tính theo sự thay đổi nồng độ, do đó có thể tạo ra các mô hình hiệu chuẩn để định lượng mối quan hệ này. Phần mềm WiRE™ của Renishaw tính toán một mô hình hiệu chuẩn bình phương tối thiểu một phần (PLS) mạnh mẽ từ phổ Raman của nồng độ glucose đã biết trong nước.

Thu thập dữ liệu Raman và tạo mô hình

Chúng tôi đã ghép một đầu dò Raman sợi quang nhúng vào máy phân tích Virsa. Máy phân tích Virsa được tối ưu hóa cho các ứng dụng giám sát quy trình và có thể hoạt động trong cả môi trường phòng thí nghiệm và công nghiệp. Nó tương thích với nhiều loại đầu dò sợi quang và hỗ trợ cho nhiều bước sóng laser. Trong thí nghiệm này, chúng tôi đã sử dụng kích thích ở bước sóng 785 nm để giảm thiểu nền tự huỳnh quang từ nấm men sống.

Đối với mô hình hiệu chuẩn, quang phổ được thu thập từ 50 ml mẫu dung dịch glucose trong nước có nồng độ từ 0 đến 50 g/l, và nấm men ở 5 g/l. Năm quang phổ từ mỗi mẫu hiệu chuẩn được thu thập trên phạm vi quang phổ từ 800 cm-1 đến 1500 cm-1, với thời gian phơi sáng là 120 giây. Phổ Raman trung bình cho mỗi nồng độ glucose được thể hiện trong Hình 2.

Trong quá trình lên men, quang phổ được thu thập cứ sau 30 phút trong khoảng thời gian 18,5 giờ từ hỗn hợp 200 mL glucose (50 g/L), nước và men (5 g/L). Thời gian phơi sáng là 120 giây, với công suất 90 mW tại mẫu. Vùng quang phổ quan tâm là 800 cm-1 đến 1500 cm-1 để thu được cả các đỉnh glucose và ethanol chính.

Phổ thu thập được liên tục được dự đoán từ mô hình PLS bằng mô-đun phần mềm Monitor™ của Renishaw.

Điều này cho phép theo dõi thời gian thực phản ứng lên men đang diễn ra, cung cấp thông tin định lượng về nồng độ glucose.

Theo dõi quá trình lên men

Trong suốt quá trình thí nghiệm kéo dài 18,5 giờ, đỉnh glucose giảm cường độ, trong khi đỉnh ethanol tăng cường độ (Hình 5). Điều này chỉ ra rằng nấm men đang chuyển hóa glucose và chuyển đổi nó thành ethanol và carbon dioxide. Mô hình PLS, nhắm mục tiêu xung quanh đỉnh 1125 cm-1 , đã theo dõi sự thay đổi nồng độ glucose trong suốt phản ứng. Mô-đun Monitor dự đoán nồng độ glucose theo thời gian thực (Hình 4). Nồng độ ban đầu là 50 g/L đã giảm xuống còn ~4 g/L vào cuối phản ứng (Hình 6).

Phần kết luận

Máy phân tích Virsa Raman có thể theo dõi nồng độ chất phản ứng và sản phẩm theo thời gian thực trong quá trình lên men bằng cách sử dụng đầu dò nhúng Raman và phần mềm mô hình đa biến.

Thông tin tại chỗ có giá trị này về tiến trình phản ứng cho phép kiểm soát chính xác và tối ưu hóa các điều kiện sản xuất sinh học. Bạn cũng có thể xác định thời gian thực các điểm kết thúc phản ứng và chấm dứt phản ứng ngay khi đạt đến điểm kết thúc tối ưu.

Máy phân tích Virsa Raman được tối ưu hóa để trở thành một phần của khuôn khổ công nghệ phân tích quy trình (PAT) cho sản xuất dược phẩm sinh học. Nó tương thích với một loạt các đầu dò sợi quang, để dễ dàng lấy mẫu tại chỗ từ hầu hết các lò phản ứng hóa học. Máy phân tích Virsa được thiết kế chắc chắn và di động, do đó có thể nhanh chóng di chuyển giữa các phòng thí nghiệm, thí điểm và các cơ sở sản xuất quy mô lớn.

Để biết thêm chi tiết về Máy phân tích Virsa Raman và Application Note hoàn chỉnh, xin vui lòng liên hệ ADGroup.