Ανάπτυξη αναλυτικής τεχνικής φασματομετρίας μάζας για παρακολούθηση και έλεγχο διεργασιών: εφαρμογή σε πιλοτική κομποστοποίηση

Abstract

The present PhD thesis aims at developing a high performance and efficient mass spectrometric method for on-line monitoring of bioprocesses through monitoring of the evolved gases and VOCs.A combined system that consists of pulsed sampling system, capillary column as transfer line and mass spectrometer was used for online monitoring of complicated mixtures of gases and VOCs produced in a bioreactor during composting of green kitchen waste. The objectives of the PhD thesis which were achieved include the following:1.Development of proof of concept lab prototype (PS/GC/MS).2.Validation of a pulsed sampling method as part of this prototype.3.Validation of a high speed GC that is also part of the prototype.4.Design and development of a pilot scale composting reactor for testing the prototype in online monitoring of complicated mixtures of gases and VOCs.5.Development of chemometrics-based big data visualization tool with the scope of creating “screens” for monitoring the process.The general conclusions are summarized in the following:•The system used for online monitoring showed robustness operating for up to 15 days with no interruptions. It is capable of providing information regarding system operation, potential malfunctions and monitoring the process.•The combined system had long term stability and robust operation together with significant separation capability when the transfer line was a coated capillary column. High speed chromatography was possible especially at relatively low temperatures that are matching requirements of bioprocesses. It appeared that the optimum separation was achieved at temperatures as low as 50oC. •Using uncoated transfer line allows for very fast analysis of gases and VOCs with almost no separation. Additional software may be needed (e.g. chemometrics) for resolving overlapping peaks. From the process control point of view it is important that it can provide very fast monitoring cycles. Coated transfer line has the advantage of chromatographic separation in reasonable monitoring cycles. Optimization of sampling system will allow for reduction of monitoring cycle time. •The system was capable of detecting reactor events and system malfunctions and of providing analytical information regarding evolved gases and VOCs. Contour plots were developed that visualize and effectively capture the important information in voluminous data originated from continuous (24x7) online monitoring of the bioreactor.

Βασικός στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν η ανάπτυξη αναλυτικής τεχνικής φασματομετρίας μάζας διεργασιών με υψηλές επιδόσεις και απόδοση, για την παρακολούθηση σε πραγματικό χρόνο και τον έλεγχο βιοχημικής διεργασίας μέσω των εκλυόμενων αερίων και πτητικών οργανικών ενώσεων (VOCs).Συγκεκριμένα, στα πλαίσια της διατριβής οι σκοποί που είχαν τεθεί και επιτεύχθηκαν ήταν οι εξής:1.Η ανάπτυξη ενός εργαστηριακού προτύπου συστήματος παλμικής δειγματοληψίας/ αέριας χρωματογραφίας/ φασματομετρίας μάζας (PS/GC/MS) και η δοκιμή του για πρώτη φορά στην παρακολούθηση και έλεγχο σε πραγματικό χρόνο της βιοχημικής διεργασίας της κομποστοποίησης μέσω των εκλυόμενων αερίων και πτητικών οργανικών ενώσεων (ΠΟΕ). 2.Η αξιολόγηση της τεχνικής της παλμικής δειγματοληψίας ως τμήμα του εν λόγω συστήματος. 3.Η αξιολόγηση της τεχνικής της «υψηλής ταχύτητας χρωματογραφίας» (high speed chromatography) ως υποσύστημα διαχωρισμού αερίων και πτητικών οργανικών ενώσεων πριν την εισαγωγή τους στο φασματόμετρο μάζας. 4.Ο σχεδιασμός και η κατασκευή βιοαντιδραστήρα κομποστοποίησης σε πιλοτική/εργαστηριακή κλίμακα κατάλληλου για συνεχή παραγωγή αερίων και πτητικών οργανικών ενώσεων τα οποία και θα παρακολουθεί σε πραγματικό χρόνο το εργαστηριακό πρότυπο σύστημα. 5.Η διερεύνηση και ανάπτυξη τεχνικών οπτικοποίησης μεγάλου όγκου δεδομένων (BIG DATA) με σκοπό την ανάπτυξη κατάλληλων διαγραμμάτων παρακολούθησης της ομαλής πορείας της διεργασίας. Βασικά συμπεράσματα της διδακτορικής διατριβής ήταν τα εξής:•Το σύστημα PS/GC/MS είχε πολύ καλή σταθερότητα και επαναληψιμότητα σε συνεχή λειτουργία στην διάρκεια των δοκιμών. Το σύστημα παλμικής δειγματοληψίας έδειξε ικανοποιητικά χαρακτηριστικά επιδόσεων σε ότι αφορά την δειγματοληψία. Ο ελάχιστος χρόνος δειγματοληψίας 1 sec ήταν πολύ ικανοποιητικός για «υψηλής ταχύτητας χρωματογραφία» (high speed chromatography) δηλαδή για συνολικό χρωματογράφημα λίγων λεπτών (3-4 min ή 180-240 sec). •Αποδείχθηκε δυνατή η χρωματογραφική ανάλυση με χρωματογραφικές κορυφές της τάξης των δευτερολέπτων, διαχωρισμό 5-10 κορυφών σε περίπου ένα λεπτό (ισοθερμοκρασιακός χρωματογραφικός διαχωρισμός στους 90oC). Ο χρόνος αυτός γινόταν 3,5 λεπτά (min) όταν η θερμοκρασία της χρωματογραφικής στήλης ήταν 50oC με παράλληλη σημαντική βελτίωση της διαχωριστικής ικανότητας. •Η παρακολούθηση μέσω του φασματόμετρου μάζας του προφίλ του He (φέρον αέριο) και Ar (αέρας δειγματοληψίας) κατά την εναλλαγή από δειγματοληψία σε μη δειγματοληψία έδειξε ικανοποιητικό έλεγχο του συστήματος που οδήγησε σε αξιόπιστα αποτελέσματα.•Το σύστημα PS/GC/MS σε ότι αφορά στην παρακολούθηση σε πραγματικό χρόνο των διεργασιών και των προϊόντων ενός αντιδραστήρα κομποστοποίησης αποδείχθηκε ότι μπορεί να αναγνωρίσει και να παρακολουθήσει τις διαφορετικές φάσεις των βιοχημικών αντιδράσεων, να εντοπίσει διαταραχές στην παροχή αέρα και την θέρμανση του υποστρώματος και να παρακολουθήσει την έκλυση αερίων και ΠΟΕ.• Πραγματοποίηθηκε ανάπτυξη τεχνικών οπτικοποίησης μεγάλου όγκου δεδομένων με σκοπό την δημιουργία κατάλληλων διαγραμμάτων παρακολούθησης της ομαλής πορείας της βιοχημικής διεργασίας.