Inline-Qualitätskontrolle
soniccatch
Der soniccatch ermöglicht innovative Anwendungen im Bereich der Prozessanalytik. Dabei werden Ultraschallfelder verwendet, um Partikel in industriellen Flüssigkeiten in der Strömung zu fangen.
Auf diese Weise werden Partikel gezielt einer Sonde präsentiert und ermöglichen präzise Inline-Messungen in Echtzeit direkt im Prozess. Ein neuartiger Ansatz, der die Industrie dabei unterstützt, wertvolle Inline-Daten zu generieren und aufwändige Probennahmen zu minimieren.
Damit Ihre Sonde das volle Potenzial
erreicht
Der Ultraschall befindet sich überwiegend im Megahertzbereich (MHz) und fängt somit etwa Kristalle oder lebende Zellen sanft zur Messung ein. Damit wird durch regelmäßiges und genaues Messen eine feinmaschige Qualitätsüberwachung möglich.
Alle Systeme werden in house designed und passgenau für Ihre Sonden angefertigt.
Funktionsweise des soniccatch
Der Ultraschall des soniccatch fängt die vorbeiziehenden Partikel in einer Suspension vor dem Messbereich einer Inline-Sonde ein und hält diese fest. Somit wird eine Art Inline-Probe erzeugt, die nun in Ruhe von einer Sonde gemessen werden kann - für eine optimale Qualitätskontrolle.
Vorteile soniccatch
Erstellung von Inline-Proben in Echtzeit
zuverlässiges Live-Monitoring
Kontinuierliche Prozess- und Qualitätskontrolle
Reduziert Probennahme und potenzielle Sicherheitsrisiken
Anwendungsbeispiele
Chemie & Pharma
Sensorentyp: inline-Mikroskop mit Spektroskopie-Sonden
Partikel: Kristalle
Produkt: soniccatch&clean
Das System soniccatch&clean ist eine innovative Lösung zur Optimierung von inline-Messungen in Kristallisationsprozessen. Kristallisation ist eine der wichtigsten Techniken in der Chemie und wird in vielen Industriezweigen als Trennungs- und Reinigungsverfahren eingesetzt. Die Qualität dieses Prozesses beeinflusst entscheidend die Produkteigenschaften wie Reinheit, Stabilität, Löslichkeit, Bioverfügbarkeit sowie die Morphologie.
Zwei wesentliche Verbesserungen sind dadurch möglich:
1. Partikelkontrolle für verbesserte Sensitivität
In Kombination mit inline-Mikroskopen fängt der soniccatch Kristalle in der Fokusebene der Sonde, wodurch die Anzahl der sichtbaren Partikel erhöht und so das Messsignal der Raman-Sonde verstärkt wird. Dies verbessert die Erkennung von Kristallstrukturen, besonders zu Beginn der Kristallisation.
2. Verbesserung der Selektivität durch inline-Reinigung
ATR/FTIR-Sonden sind nur wenige Mikrometer oberhalb der Sondenspitze empfindlich. Diese Zone wird häufig von Kristallen blockiert, was zu ungenauen Spektren führt. soniccatch&clean kann störende Kristalle kontrolliert von der Sonde wegziehen. Dieser Reinigungsmodus verhindert das Anhaften der Kristalle am Sondenfenster und gewährleistet stabile Messsignale in Echtzeit auch bei hoher Feststoffbelastung. Somit ist eine optimale inline-Qualitätskontrolle im kontinuierlichen Prozess möglich.
Vorteile soniccatch&clean:
Optimierung der Messgenauigkeit von Sonden
Kontinuierlich exakte Echtzeitprozessüberwachung des laufenden Prozesses
Erhöhte Signalintensität der Messung
Verbesserte Stabilität durch inline-Reinigung
Dies führt zu einer optimierten Prozesskontrolle in Bezug auf Energieeffizienz, Ressourcenschonung und Output.
Biotechnologie
Sensorentyp: Raman-Sonde
Partikel: Hefezellen
Produkt: soniccatch
Die Prozesskontrolle in der biotechnologischen Produktion, stützt sich traditionell auf indirekte Parameter wie Temperatur, pH-Wert sowie die Probenanalyse aus dem Reaktor. Diese Daten korrelieren jedoch nur indirekt mit der Leistung der Mikroorganismen. Ein besserer Ansatz ist es, gleich die Hauptbestandteile des Kulturmediums zu messen, die direkt am Stoffwechsel der Mikroorganismen beteiligt sind, oder die Messung der Zellen selbst.
Spektroskopische Instrumente basierend auf Vibrationsspektroskopie, wie Raman oder ATR/FTIR, bieten selektive chemische Informationen durch nicht-destruktive Messungen. Allerdings leiden sie unter geringer Sensitivität für Zellmessungen. Hier setzt die Ultraschall-Partikelmanipulation an: Das System soniccatch nutzt stehende Ultraschallwellen, um sanft Partikel gezielt zu positionieren und im Fokusbereich der Raman-Sonde zu halten. Dies ermöglicht eine Art inline-Probennahme mit gleichzeitiger Messung der relevanten Zellen oder Komponenten der Flüssigphase mit erhöhter Sensitivität und Selektivität.
Beispiel Hefefermentation:
Ein 5-Liter-Bioreaktor ist mit einer Raman-Sonde ausgestattet, die in die Armatur des soniccatch integriert wurde. Die präzise Kontrolle des Ultraschallfeldes wird nun verwendet um die Zellen gezielt in die gewünschte Position vor dem Messfenster der spektroskopischen Sonde zu bringen (im Spalt zwischen Sonde und Add-on).
Die Kombination aus Raman-Spektroskopie und soniccatch ermöglicht die selektive Messung des Fermentationsmediums. Durch PLS-Modellierung (Partial Least Squares) können wichtige Parameter wie Glukose-, Ethanol- und Biomassekonzentration bestimmt werden. Bei aktiviertem soniccatch werden die Zellen im Fokusbereich der Sonde gefangen und gemessen um repräsentative Spektren zu erhalten. Die komplexen spektralen Fingerabdrücke von Proteinen, Lipiden und Kohlenhydraten enthalten tiefgreifende Informationen über den physiologischen Zustand der Zellen.
Mittels Hauptkomponentenanalyse (PCA) kann eine klare Unterscheidung zwischen Spektren der Zellen verschiedener Fermentationsphasen erreicht werden. Ohne den Umweg über die Messung kritischer Prozessparameter via Probennahme, ist nun eine direkte inline-Überwachung der aktiven Fermentationskultur inklusive deren Kontrolle möglich.
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Wachstumsphase der Hefezellen
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Metabolistische Veränderung (Diauxie)
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Ethanol wird verbraucht (Respiration Phase)
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Ruhezustand (Hibernation)
Als Add-on ist das soniccatch System für die meisten inline-Sonden verfügbar. Die Nutzung von Ultraschallfeldern ermöglicht für verschiedene Prozesse eine Verstärkung der Sensitivität, Selektivität und Stabilität des inline-Messsignals.
Umwelt
Sensorentyp: Raman-Sonde
Partikel: Mikroplastik
Produkt: soniccatch
Mikroplastik-Partikel stellen ein weltweites Umweltproblem dar. Diese Plastikpartikel kleiner als 5 mm haben sich in allen Ozeanen, der Luft sowie Lebensmitteln ausgebreitet. Herkömmliche Nachweismethoden erfordern zeitaufwändige Filtration großer Wasservolumen, gefolgt von z.B. Raman-Spektroskopie-Analysen im Labor. Diese Methoden sind langsam, kontaminationsanfällig und zeigen variable Sensitivität bei den kleinsten Partikeln.
Zur direkten Mikroplastik-Detektion gibt es nun eine neuartige Methode ohne Probenvorbereitung. Als Beispiel wurden 3,4 μm große Polymethylmethacrylat (PMMA) Mikrokugeln mit einer Konzentration von 90 ppm in Wasser eingerührt. Für die inline-Messung wurde ein soniccatch System in Kombination mit einer Raman-Sonde verwendet.
Zur Messung wird die Sonde in die Ultraschallarmatur eingeführt. Das erzeugte Ultraschallfeld zwischen Sondenkopf und Signalgeber der Armatur fängt die Partikel in den Knotenpunkten der stehenden Welle ein, die mit dem Fokus der Raman-Sonde überlagert.Die so eingefangenen Mikroplastikteilchen verweilen lange genug im Messbereich der Sonde, das diese Zeit hat ein detailgenaues Spektrum des Kunststofftyps zu erfassen.
Die Ultraschall-Methode zeigt beeindruckende Ergebnisse:
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Mindestens 1500-fache Signalverstärkung des PMMA-Raman-Signals
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Schnelle Detektion: Nach 5 Minuten war ein klares Signal unterscheidbar
Die Ultraschall-basierte Mikroplastik-Detektion stellt einen vielversprechenden Ansatz für die Umweltüberwachung dar und kann zur dringend benötigten Standardisierung der inline-Mikroplastik-Überwachung beitragen.
Entscheidende Vorteile der hier präsentierten Methode:
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Keine Probenvorbereitung erforderlich
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Reduzierte Analysezeit von Stunden auf Minuten
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Kontaminationsfrei durch direkte inline-Messung und Analyse
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Portable Anwendung für Feldmessungen möglich
Biotechnologie
Sensorentyp: Mid ATR-Sonde
Partikel: Cyanobakterien
Produkt: soniccatch
Als Alternative zum handelsüblichen Plastik, erforschen Hersteller die Produktion von Bioplastik. Ein Beispiel hierfür ist Polyhydroxybutyrat (PHB), ein biologisch abbaubarer Kunststoff, der von Cyanobakterien aus CO₂ und Licht produziert wird, und somit eine nachhaltige Alternative zu erdölbasierten Kunststoffen darstellt.
Dabei liegt die größte Herausforderung bei der industriellen PHB-Produktion in der schwierigen Hochskalierung von Photobioreaktoren, da sich Licht-, Nährstoff- und CO₂-Verfügbarkeit stark ändern. Daher sind schnelle in situ Analysetechnologien zur Prozessüberwachung unerlässlich.
Eine innovative Methode zur Echtzeit-Überwachung der PHB-Produktion in Photobioreaktoren nutzt eine Kombination aus ATR-FTIR-Spektroskopie und Ultraschall-Partikel-Manipulation. Letztere erzeugt Ultraschall-Stehwellenfelder, um Cyanobakterien (Synechocystis sp. PCC 6714) Zellen direkt im Bioreaktor zu fangen und gezielt an die ATR-Diamantoberfläche der inline-Sonde zu halten. Durch alternierende Ultraschallfrequenzen können reine Zellspektren oder reine Spektren des Mediums gewonnen werden.
In 5,4-Liter-Photobioreaktoren wurden Cyanobakterien unter stickstofflimitierenden Bedingungen kultiviert. Nach einer Biomasse-Wachstumsphase folgte die PHB-Produktionsphase, die mit soniccatch kontinuierlich inline überwacht wurde.
Die Ergebnisse zeigen eine erfolgreiche inline-Quantifizierung von PHB und Glykogen mit hoher Genauigkeit. Die charakteristische PHB-Bande bei 1738 cm⁻¹ korrelierte gut mit offline-Referenzmessungen von entnommenen Proben. Der maximale PHB-Gehalt erreichte 132 mg·g⁻¹ (13,2% des Trockengewichts).
Die Ultraschall-verstärkte ATR-FTIR-Messung erfolgte kontinuierlich mit einem vierstufigen Protokoll:
Zellen einfangen, in das evaneszente Feld drücken, wegziehen und freigeben. Durch Subtraktion der Spektren in verschiedene Zustände erhält man reine Zellspektren.
Diese Lösung bietet eine schnelle, zerstörungsfreie Alternative zur zeitaufwändigen offline-Analysemethoden mit toxischen Chemikalien. Zudem zeigt die Methode großes Potenzial als Prozessanalytik-Werkzeug (PAT) für die Überwachung und Kontrolle biotechnologischer Produktionsprozesse, die zur Optimierung der industriellen PHB-Produktion beitragen
