Sensor Systems for Bioprocess Monitoring

Sammanfattning: Popular Abstract in Swedish Olika sätt att mäta substrat (monosackarider) och produkter (främst etanol) vid tillverkning av biobränslet etanol har studerats. Etanoltillverkning sker i en fermentor med hjälp av mikroorganismer som kan omvandla socker. Det är av stort intresse att mäta koncentrationen av produkter och substrat under tillverkningsprocessens gång för att veta om den fortlöper som den ska, när den har tagit slut, ifall att den har avstannat pga något fel, och eventuellt för att styra den. I fermentationsvätskan finns även många andra ämnen och partiklar som kan försvåra analysen, och det är därför viktigt med mätmetoder som selektivt mäter enbart de föreningar av intresse. Två tillvägagångsätt har använts i detta arbete. Biosensorer i form av elektroder av kolpasta innehållande enzym utveklades för mätning i flödessystem i vätskefas. De enzym som användes har god urskiljningsförmåga mellan olika föreningar, och därmed kunde koncentrationen av etanol bestämmas m h a enzymet alkoholoxidas, och glukos, xylos och galaktos m h a pyranosoxidas. Båda enzym var för sig fungerade i en kopplad enzymreaktion tillsammans med pepparrotsperoxidas (som också tillsattes i kolpastan). I och med en pålagd spänning på arbetselektroden (kolpastaelektroden innehållande enzym) kunde pepparrotsperoxidas utbyta elektroner med elektrodmaterialet och en ström kunde mätas som var i proportion till etanol- eller sockerkoncentrationen. Därmed kunde dessa föreningar kvantifieras utan att andra närvarande ämnen störde analysen. Vidare användes en elektronisk näsa för bestämning av substrat och produkter. En elektronisk näsa består av en rad olika gassensorer (i detta fall: 10 metall-oxid-halvledare fält-effekt-transistorer, 4 tennoxid-baserade sensorer och en optisk koldioxiddetektor) som tillsammans med mönsterigenkänningstekniker kan användas för att bestämma klasser, koncentrationer, mm. Gasfasen ovanför fermentorn pumpades förbi gassensorerna i tiominuters-intervall. Samtidigt mättes den verkliga koncentrationen av substrat och produkter med andra analysmetoder som jämförelse. Responsen från gassensorerna erhållna från flera fermentationer användes för att träna artificiella neurala nätverk för kvantifiering av etanol, glukos, acetat, acetaldehyd, glycerol och biomassa. Dessa validerades på ett oberoende data set (dvs ännu en fermentation) och kunde bestämmas med en noggrannhet på mellan 1.7 och 10%.