Вы находитесь:

Мониторинг выходящего газа (О2, СО2) как один из важнейших параметров оптимизации процесса

Для полноценного контроля за ходом вашего ферментационного процесса существует множество параметров такие как: рН, рО2, температура и т.п. Многие из этих параметров искусственно поддерживаются в ферментере и тем самым только косвенно отражают физиологические и метаболические характеристики вашего процесса. Одним из важнейших параметров является поглощение кислорода культурой и выделение углекислого газа. Определение этих параметров позволяет не только охарактеризовать процесс качественно, но также подвести материальный баланс.

Для определения этих параметров некоторые фирмы производят специальные газовые анализаторы, позволяющие определять содержание кислорода и углекислого газа в выходящем воздухе. После несложных расчетов можно рассчитать количество потребленного кислорода и выделенного СО2. Не так давно (0.5 года) мы решили приобрести подобную систему. Нами рассматривались 3 фирмы в качестве поставщика: B.Braun Biotech (Германия), Marubishi (Япония), Able (Япония). Первые две фирмы выбраны, так как у нас уже работает оборудование этих двух фирм, третья по рекомендации.

Требований было несколько: многоканальный, малые объемы продувки (0.125-0.5 мл/мин), совместимость программного обеспечения и конечно цена. Принцип работы анализатора у всех фирм схож. В целом схема выглядит так:

Принципиальная схема работы газового анализатора 

Входящий воздух при помощи насоса отправляется в холодильник, где температура 3 - 4 °C, обеспечивает освобождение воздуха от  содержащейся в нем влаги. Конденсат  выводится из прибора. Попадание влаги на детекторы может привести к поломке прибора. Использование дополнительного насоса позволяет также поддерживать постоянную скорость протока воздуха, что необходимо для обеспечения воспроизводимости получаемых результатов. После подготовки воздух направляется в измеряющие ячейки.  Так как зачастую необходимо получать данные не с одного, а с нескольких аппаратов, фирмы предлагают использовать для этих целей  «распределитель» каналов – мультиплексор. Таким образом, к одному анализатору можно подключить несколько (до 12) аппаратов.

Как я написал раньше, выбирали мы из трех фирм,  первым кандидатом была фирма B.Braun Biotech. Фирма производит систему EGAS, построенную по модульному принципу, состоящую из собственно газового анализатора и распределителя потока воздуха. Многоканальный распределитель может быть 2х-, 4х-, 8ми-, 12ти- канальным. Газовый анализатор имеет в дополнение к описанной выше схеме датчик влажности, который при обнаружении влаги в воздухе перекрывает доступ воздуха к датчикам.  Диапазоны измерения для O2 0-10% и 0-25% принцип измерения основан на электрохимическом определении. Определение Концентрации CO2основано на поглощении в инфракрасном диапазоне, измеряемые диапазоны 0 - 5 vol.% и 0 - 10 vol.% CO2.

Газовый анализатор EGAS производства фирмы B.Braun Biotech

Особенностью данного прибора является автоматическая калибровка, не требующая калибровочных газов. Для калибровки СО2-датчика используется интегрированный калибровочный картридж. Для калибровки кислорода используется окружающий воздух, в котором содержание кислорода составляет 20.95 vol. %. Использование данного оборудования было бы очень удобным для нас т.к. оно полностью совместимо с программным обеспечением, которое мы используем для  работы с ферментерами. Однако как уже упоминалось, мы имели строгое ограничение по объему воздуха. Минимальный объем обеспечивающий устойчивую работы газового анализатора B.Braun Biotech составляет 60 л/ч, т.е 1л/мин, что многократно превышало наши объемы.

Стоимость EGAS, на начало 2003 года, составляла:

Модель

~цена, EUR

EGAS-1

19 000

EGAS-2

35 000

EGAS-4

38 000

EGAS-8

45 000

EGAS-12

47 500

Номер в индексе модели указывает на число каналов. Цена приведена без «таможни» и налогов.

Вторым номером в нашем списке проходил газовый анализатор от фирмы Marubishi, однако его цена ~56 000$ за 6-ти канальный аппарат сделало его малопривлекательным для нас. Честно говоря, мы даже не пытались получить более полную информацию о приборе. Хотя можно предположить, что продукт такой уважаемой фирмы не должен быть плохим.

Последним из рассматриваемых нами вариантов была мало известная, в России, фирма ABLE- японский прибор полностью удовлетворял нашим запросам, к тому же имел хорошие рекомендации от наших коллег. Прибор поставлялся в 6-ти канальной версии укомплектованный ноутбуком, программным обеспечением и необходимыми запчастями. Отличительной особенностью этого анализатора является необходимость калибровки при помощи специальных калибровочных газов, что может вызвать определенные проблемы, а также питание от сети в 110 вольт. Для калибровки необходимо иметь: азот для установки нуля, 22%-O2 уравновешенный с азотом и 9%-СО2 уравновешенный с азотом. После установки и подключения прибор готов к работе. Производитель, правда, требует калибровки после транспортировки, но мы стали использовать его без этой процедуры т.к. приготовление стандартных газов занимает достаточно много времени.

Программное обеспечение включает основные формулы для обсчета данных. Само по себе ПО по удобству пользования заслуживает твердой «троечки». Вообще хотелось бы отметить, что ПО японских фирм не отличается удобством и значительно уступает soft’у от B.Braun Biotech. Имея возможность сравнить ПО всех трех указанных выше производителей, могу сказать, что японские продукты явно созданы в эпоху еще  Windows 3.1 и не претерпели серьезных модернизаций.

Результаты эксплуатации:

Сначала о хорошем: применение данного прибора позволило обнаружить несколько достаточно интересных феноменов, которые не детектировались при помощи других методов и параметров. В качестве иллюстрации могу привести данные о культивировании серии штаммов со значительными перестройками в метаболизме. Вносимые изменения было очень трудно детектировать обычными подходами. Применение газового анализатора позволило продемонстрировать различия в физиологии штаммов.

На рисунке изображены данные по потреблению кислорода. Отражающие различия в потреблении кислорода серией изогенных штаммов. Дальнейший анализ подтвердил наблюдаемые различия.

Кинетика поглощения кислорода

О плохом: к сожалению, японское качество, теперь, видимо не абсолютно. Постоянно залипает шарик флоуметра, излечивается этот недуг просто, но все равно неприятно. Следующий дефект был вдвойне обидным, т.к. зачастую, мы культивируем очень схожие штаммы, никого не удивляли схожие кривые поглощения кислорода, Однако когда мы заметили, что на уже отключенном (пустом) аппарате прибор показывает те же данные что на соседнем вполне живом аппарате мы «насторожились». Беглый осмотр выявил причину – не работает насос. В инструкции к прибору сказано: в случае поломки насоса отправить его производителю. Прикинув затраты, не столько финансовые, сколько временные и организационные, решили лезть сами. Вскрытие выявило залипание мембраны насоса, промывка, протирка вернули насос, а вместе с ним и весь прибор к жизни. Дефекты вроде бы не серьезные, но для прибора стоимостью 30000$ это как-то странно и неожиданно.

Если подвести итог заочного сравнения можно констатировать, что аппараты фирм B.Braun Biotech и ABLE, по потребительским характеристикам очень близки. Разницу в цене можно объяснить наличием автоматической калибровки у системы EGAS. Недостатки качества, выявленные у анализатора фирмы ABLE могут носить случайный  характер, к тому же мы не имеем возможность сравнить качество подобного оборудования производимого B.Braun. Продукция Marubishi отличается самой высокой ценой, при этом особых преимуществ не выявлено (заочно). Даже короткий опыт эксплуатации газового анализатора продемонстрировал достоинства применения данного оборудования. Если вы занимаетесь оптимизацией процесса или штамма, применение газового анализатора позволит получить дополнительную, а иногда и основную информацию о процессе, штамме и его физиологии.

Сравнительная характеристика:

 

B.Braun Biotech

ABLE

Размеры (Ш x В x Г):

610 x 1604 x 640 mm

280 x 600 x 335 mm

Сеть:

230 V AC / 50 or 60 Hz
120 V AC / 50 or 60 Hz

120 V AC / 50 or 60 Hz

Количество каналов

От 1 до 12

6

Углекислый газ(CO2):
(ошибка в % от измеряемого интервала)

Интервал:                                             0 - 5 vol. % и 0 - 10 vol. %
Zero point drift:                   ± 1% (0.5 года)
откл. от линейности:2%
Изм. чувствительности: нет

Интервал: 0 - 20 vol. %

Zero point drift:                   ± 2% откл. от линейности:2%
Изм. чувствительности: нет

Кислород (O2):
(ошибка в % от измеряемого интервала)

Интервал:                                             0 - 10 vol. %  и 0 - 25 vol. %
Zero point drift:                   1% (в месяц)
откл. от линейности: нет
Изм. чувствительности:   1% (в месяц)

Интервал: 0 - 25 vol. %

Zero point drift:                   ± 1% откл. от линейности:2%
Изм. чувствительности: 0.5%

Калибровка:

CO2:       NaOH-картридже (0-точка)
и калибровочная кювета (конечная точка)
O2:          окружающий воздух

CO2:       N2-азот (0-точка)
9%-СО2 уравновешенный с азотом (конечная точка)
O2: 22%-O2 уравновешенный с азотом

Поток газа

60 l/h

Макс=500мл/мин

Приблизительная цена

От19000-48000 EUR

30000$ (6-каналов)

 

Беневоленский М.С. м.н.с. ЗАО "АГРИ"

P.S. Если кто-нибудь еще имеет опыт эксплуатации подобного оборудования,  убедительная просьба киньте ссылочку.

Вернуться »

Abercade — Исследования промышленных рынковBiOENGiNEERiNGТРИС