Senzorji in merilni sistemi za in-situ spremljanje parametrov v biotehnoloških procesih

Trajanje projekta: 1.4.2014 - 30.9.2014

Partnersko podjetje, delovni mentor: Echo d.o.o., dr. Andrej Holobar

Pedagoški mentor: doc. dr. Darja Pečar, izr. prof. dr. Lidija Fras Zemljič

Cilj projekta »Senzorji in merilni sistemi za in-situ spremljanje parametrov v biotehnoloških procesih«, ki je potekal med UM FKKT in podjetjem Echo d.o.o., je bil razviti in preizkusiti različne merilne sisteme in senzorje plinov (CO2 O2 in NH3) ter določiti vpliv pomembnih parametrov (temperature, vrtilne frekvence mešala, koncentracije in vrste substrata) na proizvodnjo CO2  med  fermentacijo mleka s kefirnimi zrni. Na osnovi teh podatkov želimo razviti kinetični model za matematični opis hitrosti nastajanja CO2 v šaržnem bioreaktorskem sistemu. Ob poznavanju kinetičnih parametrov npr. trajanja lag faze, specifična hitrost rasti biomase in maksimalna koncentracija CO2, bi lahko razvit model uporabili za vodeno spremljanje sproščanja CO2 med laboratorijskimi in industrijskimi fermentacijami.

Med biotehnološkimi procesi, ki imajo veliko uporabno vrednost v prehrambni industriji in na katerem smo  razvite merilne sisteme preizkušali je bila proizvodnja kefirja. Kefir je eden najstarejših gojenih mlečnih produktov in se proizvaja po tradicionalnih metodah iz originalnih kefirnih zrn. Glavni končni produkti fermentacije so mlečna kislina, acetoin, acetaldehid, diacetil, etanol in ogljikov dioksid (CO2). Čeprav je vsebnost CO2 v kefirju v primerjavi z drugimi fermentiranimi produkti majhna, predstavlja njegovo sproščanje med samo proizvodnjo praktične probleme.  Mikroorganizmi v kefirju namreč rastejo tudi med fazo pakiranja. Zato mora biti embalaža za kefir ustrezna in dovolj fleksibilna, da prenese notranje tlake, delež CO2 v fermentacijski brozgi in plinski fazi pa je potrebno kontrolirati.

Senzorji oziroma merilni sistemi v biotehnoloških procesih, ki jih uporabljamo na mestu reakcije (in-situ) so izredno pomembni za kontinuirno ali on-line spremljanje različnih parametrov, kot so npr. etanol, ogljikov dioksid, mlečna kislina, acetaldehid, glukoza itd. Klasični načini merjenja imajo kar nekaj pomanjkljivosti; predvsem zapleteno vzorčevanje in kompleksno analizo vzorca. Novi sodobni trendi uporabe optičnih in kemijskih senzorjev v analitiki in biotehnologiji  nakazujejo možnost in-situ uporabe optičnih metod in drugih senzorjev za določanje (pH, ISE, plinsko selektivne elektrode, encim-substrat elektrode itd.).

Aktivnosti, ki so pripomogle k izvedbi oz. reševanju problematike projekta so obsegale:

-  pregled literaturnih virov in študij problematike določanja CO2 in drugih plinov pri fermentaciji;  ta del je obsegal pregled in delovanje komercialno dostopnih sistemov, kot so IR senzorji, ISE, optični senzorji itd. Pri študiju in kasneje uporabi takšnih sistemov je ključno, kakšne so meroslovne zahteve (območje delovanja, merilna negotovost,linearnost , ponovljivost, obnovljivost itd.) kakor tudi cena in oblika (velikost senzorja, odzivni čas, volumen itd.).

- razvoj, modifikacijo in optimizacijo merilnih sistemov, v tem delu smo primerjali klasične odprte sisteme in sistem nadgradili v zaprt fermentacijski sistem. V laboratoriju smo pri fermentacijah optimirali še: temperaturo, vrtilno frekvenco mešala, koncentracije in vrsto substrata. Prav tako smo primerjali in testirali različne senzorje različnih proizvajalcev za CO2,  O2 in NH3, saj le natančno poznavanje njihovih lastnosti omogoča uporabo in namestitev v kompleksni merilni sistem.

- sledilo je preizkušanje merilnih sistemov v realnih pogojih uporaba kefirnih zrn in mleka kot substrata,  izvedba analiz, primerjava različnih metod - določanje CO2 v plinski in vodni fazi, korelacija, postavitev modela in obdelava rezultatov.

​​​​

​​​​

​​