Capillary electrophoresis for monitoring of carboxylic, phenolic and amino acids in bioprocesses
Turkia, Heidi (2014-01-24)
Väitöskirja
Turkia, Heidi
24.01.2014
VTT Technical Research Centre of Finland
VTT Science
Tiivistelmä
Bioprocess technology is a multidisciplinary industry that combines knowledge of
biology and chemistry with process engineering. It is a growing industry because
its applications have an important role in the food, pharmaceutical, diagnostics
and chemical industries. In addition, the current pressure to decrease our dependence
on fossil fuels motivates new, innovative research in the replacement of
petrochemical products. Bioprocesses are processes that utilize cells and/or their
components in the production of desired products. Bioprocesses are already used
to produce fuels and chemicals, especially ethanol and building-block chemicals
such as carboxylic acids. In order to enable more efficient, sustainable and economically
feasible bioprocesses, the raw materials must be cheap and the bioprocesses
must be operated at optimal conditions. It is essential to measure different
parameters that provide information about the process conditions and the main
critical process parameters including cell density, substrate concentrations and
products. In addition to offline analysis methods, online monitoring tools are becoming
increasingly important in the optimization of bioprocesses.
Capillary electrophoresis (CE) is a versatile analysis technique with no limitations
concerning polar solvents, analytes or samples. Its resolution and efficiency
are high in optimized methods creating a great potential for rapid detection and
quantification. This work demonstrates the potential and possibilities of CE as a
versatile bioprocess monitoring tool. As a part of this study a commercial CE device
was modified for use as an online analysis tool for automated monitoring. The
work describes three offline CE analysis methods for the determination of carboxylic,
phenolic and amino acids that are present in bioprocesses, and an online CE
analysis method for the monitoring of carboxylic acid production during bioprocesses.
The detection methods were indirect and direct UV, and laser-induced
frescence. The results of this work can be used for the optimization of bioprocess
conditions, for the development of more robust and tolerant microorganisms, and
to study the dynamics of bioprocesses. Bioprosessitekniikka on monitieteellinen teollisuudenala, joka yhdistää biologian ja
kemian tietämyksen kemiantekniikkaan. Se on kasvava teollisuudenala, koska sen
sovellukset ovat hyvin tärkeitä ruoka-, farmasia-, diagnostiikka- ja kemianteollisuudelle.
Tämän lisäksi riippuvuutta öljystä tulee vähentää merkittävästi, mikä
mahdollistaa uuden ja innovatiivisen tutkimuksen petrokemikaalituotteiden korvaamiseksi.
Bioprosessit ovat prosesseja, jotka käyttävät soluja ja/tai niiden osia
tuottamaan haluttuja tuotteita. Bioprosesseja on jo käytetty polttoaineiden ja kemikaalien
tuottamiseen, erityisesti etanolin ja ns. building-block kemikaalien, kuten
karboksyylihappojen, tuottamiseen. Jotta bioprosesseista saadaan tehokkaampia
ja taloudellisesti kannattavampia, raaka-aineiden on oltava halpoja ja bioprosessien
on toimittava optimaalisissa olosuhteissa. Erilaisten parametrien mittaaminen on
välttämätöntä, sillä ne antavat tietoja prosessin tilasta ja kriittisistä prosessiparametreista,
joita ovat biomassa, lähtöaineet ja tuotteet. Offline-mittausten lisäksi
online-määritykset kasvattavat merkitystään bioprosessien optimoinnissa.
Kapillaarielektroforeesi (CE) on monipuolinen analyysitekniikka, jolla ei ole rajoituksia
polaaristen liuottimien, analyyttien tai näytteiden kanssa. Optimoitujen
menetelmien korkea resoluutio ja tehokkuus mahdollistavat nopean detektoinnin ja
kvantifioinnin. Tämä työ osoittaa CE:n potentiaalin monipuolisena bioprosessimonitorointityökaluna.
Osana tätä tutkimusta kaupallinen CE-laitteisto muutettiin
toimimaan online-analysointilaitteistona prosessien automaattista monitorointia
varten. Tämä työ kuvaa kolme offline-CE analyysimenetelmää karboksyyli-, fenolija
aminohappojen analysointiin sekä yhden online-CE analyysimenetelmän karboksyylihappojen
monitorointiin bioprosessien aikana. Käytetyt detektointimenetelmät
olivat epäsuora ja suora UV sekä laser-indusoitu fluoresenssi. Työn tuloksia
voidaan käyttää bioprosessiolosuhteiden optimoinnissa, elinvoimaisempien ja
kestävämpien mikro-organismien kehittämisessä sekä bioprosessien dynamiikan
tutkimisessa.
Avainsanat
biology and chemistry with process engineering. It is a growing industry because
its applications have an important role in the food, pharmaceutical, diagnostics
and chemical industries. In addition, the current pressure to decrease our dependence
on fossil fuels motivates new, innovative research in the replacement of
petrochemical products. Bioprocesses are processes that utilize cells and/or their
components in the production of desired products. Bioprocesses are already used
to produce fuels and chemicals, especially ethanol and building-block chemicals
such as carboxylic acids. In order to enable more efficient, sustainable and economically
feasible bioprocesses, the raw materials must be cheap and the bioprocesses
must be operated at optimal conditions. It is essential to measure different
parameters that provide information about the process conditions and the main
critical process parameters including cell density, substrate concentrations and
products. In addition to offline analysis methods, online monitoring tools are becoming
increasingly important in the optimization of bioprocesses.
Capillary electrophoresis (CE) is a versatile analysis technique with no limitations
concerning polar solvents, analytes or samples. Its resolution and efficiency
are high in optimized methods creating a great potential for rapid detection and
quantification. This work demonstrates the potential and possibilities of CE as a
versatile bioprocess monitoring tool. As a part of this study a commercial CE device
was modified for use as an online analysis tool for automated monitoring. The
work describes three offline CE analysis methods for the determination of carboxylic,
phenolic and amino acids that are present in bioprocesses, and an online CE
analysis method for the monitoring of carboxylic acid production during bioprocesses.
The detection methods were indirect and direct UV, and laser-induced
frescence. The results of this work can be used for the optimization of bioprocess
conditions, for the development of more robust and tolerant microorganisms, and
to study the dynamics of bioprocesses.
kemian tietämyksen kemiantekniikkaan. Se on kasvava teollisuudenala, koska sen
sovellukset ovat hyvin tärkeitä ruoka-, farmasia-, diagnostiikka- ja kemianteollisuudelle.
Tämän lisäksi riippuvuutta öljystä tulee vähentää merkittävästi, mikä
mahdollistaa uuden ja innovatiivisen tutkimuksen petrokemikaalituotteiden korvaamiseksi.
Bioprosessit ovat prosesseja, jotka käyttävät soluja ja/tai niiden osia
tuottamaan haluttuja tuotteita. Bioprosesseja on jo käytetty polttoaineiden ja kemikaalien
tuottamiseen, erityisesti etanolin ja ns. building-block kemikaalien, kuten
karboksyylihappojen, tuottamiseen. Jotta bioprosesseista saadaan tehokkaampia
ja taloudellisesti kannattavampia, raaka-aineiden on oltava halpoja ja bioprosessien
on toimittava optimaalisissa olosuhteissa. Erilaisten parametrien mittaaminen on
välttämätöntä, sillä ne antavat tietoja prosessin tilasta ja kriittisistä prosessiparametreista,
joita ovat biomassa, lähtöaineet ja tuotteet. Offline-mittausten lisäksi
online-määritykset kasvattavat merkitystään bioprosessien optimoinnissa.
Kapillaarielektroforeesi (CE) on monipuolinen analyysitekniikka, jolla ei ole rajoituksia
polaaristen liuottimien, analyyttien tai näytteiden kanssa. Optimoitujen
menetelmien korkea resoluutio ja tehokkuus mahdollistavat nopean detektoinnin ja
kvantifioinnin. Tämä työ osoittaa CE:n potentiaalin monipuolisena bioprosessimonitorointityökaluna.
Osana tätä tutkimusta kaupallinen CE-laitteisto muutettiin
toimimaan online-analysointilaitteistona prosessien automaattista monitorointia
varten. Tämä työ kuvaa kolme offline-CE analyysimenetelmää karboksyyli-, fenolija
aminohappojen analysointiin sekä yhden online-CE analyysimenetelmän karboksyylihappojen
monitorointiin bioprosessien aikana. Käytetyt detektointimenetelmät
olivat epäsuora ja suora UV sekä laser-indusoitu fluoresenssi. Työn tuloksia
voidaan käyttää bioprosessiolosuhteiden optimoinnissa, elinvoimaisempien ja
kestävämpien mikro-organismien kehittämisessä sekä bioprosessien dynamiikan
tutkimisessa.
Avainsanat
Kokoelmat
- Väitöskirjat [1099]