Effiziente Inprozess-Analytik von Xanthan Gum mit FT-NIR
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Effiziente Inprozess-Analytik von Xanthan Gum mit FT-NIR 1 Christoph Konlechner, MSc. Jungbunzlauer World-wide Papendrecht (NL) Ladenburg (DE) Pernhofen / Vienna (AT) Budapest (HU) Oradea (RO) Tokyo (JP) Singapore (SG) Port Colborne (CA) Subotica (RS) Boston (US) Marckolsheim (FR) Basel (CH) Headquarters Mumbai (IN) Sales Offices Production Sites 2 From Nature to Ingredients® 3 Xanthan Gum Pyruvatgruppe Cellulose Rückgrat Mannose + Acetylgruppe Glucoronsäure Mannose + Pyruvatgruppen 4 Xanthan Gum • Aufbau − Polysaccharid mit Cellulose Rückgrat − Seitenketten an etwa jeder zweiten Glucose-Grundeinheit − Carboxy-, Acetyl- & Pyruvatgruppen an den Haupteinheiten der Seitenketten − Anzahl der funktionellen Gruppen von den Seitenketten variieren bestimmen Eigenschaften • Eigenschaften & Verwendung − hohe Quellfähigkeit – verleiht flüssigen Medien Viskosität − Verwendung als Verdickungsmittel Milchprodukten, Saucen, Tomatenketchup, Mayonnaise, Senf und Dressings. Lotionen, Shampoos, Zahnpasta, flüssigen Seifen Bohrschlämmen, Reinigungsmittel, Feuerlöschern 5 Xanthan Gum versus NIRS • Herstellung − wässrig, aerob, fermentativ mittels Xanthomonas campestris − definierte & komplexe Einzelkomponenten ergeben Nährmedium − laufende Zell- und Xanthan-Produktion ab exponentieller Phase • Bedeutung für NIRS −wässrig | aerob, fermentativ nur geringe Schichtdicken möglich | viele Luftblasen im Rohprodukt −Medienzusammensetzung komplexe, sich verändernde, Hintergrund-Matrix −laufende Zell- und XanthanProduktion verändernde Trübung & Viskosität 6 Xanthan Gum: Inprozess-Analytik • Situation vor NIRS – nasschemische Glucose-Bestimmung – nasschemische Xanthangehalt-Bestimmung nur am Ende der Fermentation durchgeführt – Verdünnung aller Proben erforderlich – Glucose-Messung oft außerhalb des optimalen Konzentration-Bereichs für UV-VIS • Methodenentwicklung – XG-Fermentation – – – – mehr Information präzisere Messungen Zeitersparnis – mehr Proben messbar Glucose, Xanthan, oD & Viskosität 7 Xanthan Gum: Inprozess-Analytik • Anforderungen an Inprozess-Analytik – schnell nasschemische Methoden dauern über 2 Stunden bei ~30 Proben – einfach Schichtarbeiter machen die Analysen – möglichst präzise Werte werden zur Prozesssteuerung verwendet – robust unempfindlich gegen Nährsalzund/oder mechanische Versuche, verschiedene Prozesszustände 8 Xanthan Gum: Inprozess-Analytik Analytik erfolgt 1x pro Schicht (3x pro Tag), ~ 20-30 Proben Parameter Methode (=Referenz für NIR) Art Aufwand mit NIRS möglich pH pH-Meter elektrochemisch gering nein Viskosität [mPa.s] Viskosimeter 4/60 physikalisch gering-mittel ja Glucose [%] UV-VIS 540 nm colori-/ photometrisch hoch ja Xanthan [%] Fällung mit Isopropanol chemisch/ physikalisch hoch ja optische Dichte [AU] UV-VIS 540 nm photometrisch mittel-hoch ja 9 Xanthan Gum: NIR Kalibration • Referenzanalytik - 4 der 5 Parameter möglich – – – – Viskosität optische Dichte Glucose Xanthan – NIR Median des niedrigsten und höchsten Wert zweifach Bestimmung derselben Verdünnung dreifach Bestimmung derselben Verdünnung dreifach Bestimmung derselben Probe dreifach Messung derselben Probe mit Vermischen zwischen den Messungen • > 150 Proben für robuste Kalibration nötig • derzeit ~280 Proben erfasst 10 Xanthan Gum: NIR Kalibration • Herausforderungen – Prozesszustände • Abdecken aller Prozesszustände in gleichem Maße • Messung von Extremwerten (Anfang/Ende der Fermentation) • Nährmedium-Variationen /-Versuche – Bakterienstämme • verschiedene Bakterienstämme erzeugen unterschiedliche Qualitäten bezüglich Xanthan • acetatarmes Xanthan eigenes Modell für die XanthanBestimmung notwendig – Referenzanalytik • sehr aufwändig • nicht mehr als 7-10 Proben pro Tag machbar 11 NIR: Technologie der Wahl Transflexion • • • • Luftblasen können mit-kalibriert werden scannen von großen Probenmengen mit Probenrotator 2 Info-Gehalte: Transmission & Reflexion Messung in ~ 50 mL Becher mit Quarzglasboden & Stahlstempel Fourier-Transformation NIR • • • • Streulicht in-sensitiv höheres S/N-Verhältnis schnellere Scans interner mit Helium-Neon Laser 12 NIR: Equipment MPA von Bruker | FT-NIR Probenbecher mit Quarzglas-Boden Proben-Rotator Stahlstempel 13 NIR: Scandauer Scandauer • begonnen mit 128 Scans = ~30 s pro Probe • wurde nachträglich auf 256 Scans = ~60 s pro Probe gesetzt • Xanthan-Werte stabilisiert Glu STABW XG Viskosität oD >1% <1% 128 Scans 0.22% 0.08 % 0.09 % 125 0.32 256 Scans 0.13% 0.15 % 0.08 % 149 0.36 12 Proben 3 Wiederholungen | Mittelwert der STABW Schichtdicke • • • Stahlstempel – da sehr gutes Signal, Goldstempel nicht notwendig 1 mm Abstandhalter = 2 mm Lichtweg Obergrenze bei solchen Proben, da viel Wasser enthalten 14 Kalibration: Xanthan-Gehalt Rang: R²: RMSEE: RPD: Proben: 9 92.91 0.328 3.75 >250 mit acetat-armen Proben ohne acetat-arme Proben Rang: R²: RMSEE: RPD: Proben: 9 95.68 0.271 4.81 205 15 Verifizierung: Xanthan-Gehalt • einige Proben über längeren Zeitraum sowohl mit NIR als auch mit IPA-Fällung analysiert Vergleich von EinzelMessung in Bezug auf Xanthan-Gehalt! Langzeit-Messungen nur Einzelmessungen fast gleiche Verteilung wie im Kalibrations-Modell XG-NC [%] R² = 0,9532 XG-NIR [%] 16 Kalibration: Xanthan-Gehalt • • • • • • Versuch Acetat-freien Stamm mit einer qualitativen Methoden zu erkennen gescheitert eigene Kalibration notwendig, manuelles Auswählen der Methode derzeit noch immer zu wenig Proben Acetat-frei & Std.-Stamm inkompatibel | 2 weitere Spezialstämme jedoch gut kompatibel jedoch wenig, gut verteilte Inprozess-Proben verfügbar da SpezialStämme – verhältnismäßig wenig davon im Einsatz 82 Proben derzeit 17 Infektionen • Fermentation aerob bei 30°C auf Glucose-Basis • Optimum für viele andere Mikroorganismen • Eindringen & Vermehren von Fremd-Organismen viele Infektionen verändern die Matrix der Probe nicht mehr messbar mit den vorhandenen Modellen • Versuch Parallelen zwischen der Art der Infektion und Messbarkeit zu finden gescheitert • Infektionen müssen nasschemisch analysiert werden Infektion werden mikrobiologisch/visuell (auf Agarplatten) & mikroskopisch erkannt 18 Dokumentation Set-Up • digitales Dokumentations-System PAXAN = Produktion Assistenz Xanthan • Programm ist in der Lage die Text-Datei der NIR Messung zu lesen und über Probenname die Werte genau zuzuordnen • per Knopfdruck können gesammelt alle gemessenen Werte einer Schicht ins System synchronisiert werden • System erkennt doppelt gemessene Werte und übernimmt immer den zuletzt gemessenen 19 Ausblick • weitere Parameter kalibrieren • z.B. Acetat & Pyruvat um Verläufe über die Fermentationsdauer aufzuzeichnen • In-Line Sonden in Fermenter permanente Aufzeichnung aller kalibrierten Parameter – – – – – Probennahme überflüssig ständige Datenaufzeichnungen gemittelte, präzisere Werte Messungen schon durchgeführt minimale Änderungen in der Kalibration notwendig 20 Danke für Ihre Aufmerksamkeit 21 Christoph Konlechner, MSc. Zusätzliche Infos • • • • • oD stagniert wenn Stickstoffquelle verbraucht finden von genügend den „Prozess-darstellenden“ Proben ersichtliche „Wolkenbildung“ im oberen Bereich oD jedoch nicht in der Genauigkeit von Xanthan & Glucose notwendig unabhängig von Bakterienstamm Rang: 8 R²: 91.06 RMSEE: 0.831 RPD: 3.34 Proben: >250 22 Zusätzliche Infos Integrationskugel bereits Fourier-transformiert
