Tổng quan: Phương pháp hiện đại phân tích các quá trình công nghệ hóa học và sinh học dựa trên phương pháp phản xạ tia Laser

Bài báo này tổng hợp một số kết quả nghiên cứu về việc sử dụng phương pháp phản xạ Laser trong việc xác định phân tích cấp hạt trong thời gian thực (in-situ and real time conditions). Hai quá trình được chọn lọc để giới thiệu bao gồm: Kết tinh amino acid Larginine và quá trình sinh học.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Tổng quan: Phương pháp hiện đại phân tích các quá trình công nghệ hóa học và sinh học dựa trên phương pháp phản xạ tia LaserTAÏP CHÍ PHAÙT TRIEÅN KH&CN, TAÄP 19, SOÁ T5- 2016Tổng quan.Phương pháp hiện đại phân tích các quá trìnhcông nghệ hóa học và sinh học dựa trênphương pháp phản xạ tia LaserLê Minh TâmFriedel H. SchwartzSequip S&E GmbH, Düsseldorf, Đức(Bài nhận ngày 23 tháng 09 năm 2015, nhận đăng ngày 02 tháng 12 năm 2016)TÓM TẮTXác định phân bố cỡ hạt (PSD – Particlesố kết quả nghiên cứu về việc sử dụng phươngSize Distribution) là một trong những nhiệm vụpháp phản xạ Laser trong việc xác định phân tíchquan trọng nhất để quan sát và điều khiển cáccấp hạt trong thời gian thực (in-situ and realquá trình công nghệ hóa học và sinh học. Trongtime conditions). Hai quá trình được chọn lọc đểđiều kiện các hạt liên tục chuyển động dưới tácgiới thiệu bao gồm: kết tinh amino acid Ldụng của lưu chất, việc xác định này là một thácharginine và quá trình sinh học.thức về mặt kỹ thuật. Bài báo này tổng hợp mộtTừ khóa: xác định phân bố cỡ hạt, phản xạ Laser, quan sát trực tuyến quá trình sinh học và hóa họcMỞ ĐẦUMật độ hạt và phân bố cỡ hạt là hai đặc tínhquan trọng nhất đối với hầu hết các quá trìnhcông nghệ liên quan đến hệ dị thể [1]. Biến đổimật độ hạt theo thời gian, hay nói cách khác lànồng độ, cho biết mức độ chuyển hóa của quátrình. Trong khi đó, phân bố cỡ hạt quyết địnhhàng loạt tính chất quan trọng của sản phẩm cuốinhư tốc độ hòa tan của các thành phần dượcphẩm, tính chất hóa lý của hạt rắn (hoạt tính hóahọc, khả năng lưu động, vón cục, v.v), khả năngxúc tác (phụ thuộc vào bề mặt riêng của hạt xúctác), hay sự bền vững của hệ nhũ tương được sửdụng rộng rãi trong mỹ phẩm và các sản phẩmchăm sóc cá nhân, v.v. Hiện nay, việc phát triểncác công nghệ mới nhằm phân tích phân bố cỡhạt với độ chính xác cao và giảm thiểu tác độngđối với hệ hạt gốc (hạn chế lấy mẫu) đang là nhucầu cấp thiết đối với nhiều ngành công nghiệp. Vìthế, năm 2004, tổ chức FDA (Food and DrugAdministration, USA) đã hệ thống hóa và đưa racác tiêu chuẩn đo lường nhằm nâng cao khả năngtối ưu hóa các quá trình công nghệ, từ đó hìnhthành nên khái niệm kỹ thuật phân tích quá trình(Process Analytical Technology, PAT) [2]. PATđầu tiên được áp dụng cho các quá trình sản xuấtdược phẩm nhưng sau đó đã nhanh chóng đượcáp dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhưthực phẩm, sinh học, v.v.Hiệu năng của phương pháp phân tích đượcđánh giá dựa trên khả năng theo dõi liên tục từđầu đến cuối các quá trình công nghệ. Một số yêucầu quan trọng của các phương pháp phân tíchhiện đại có thể kể đến bao gồm:Khả năng đo đạc trực tuyến (in/on-line) trongqui trình công nghệ, không lấy mẫu và không phaloãng (in-situ conditions): Hạn chế lấy mẫu để đođạc là yêu cầu hàng đầu đối với các phương phápnghiên cứu hiện đại. Việc tránh lấy mẫu theo thờigian sẽ giải quyết nhiều vấn đề như giảm thiểulượng mất sản phẩm (đặc biệt đối với qui mô nhỏtrong phòng thí nghiệm), hạn chế khả năng nhiễmtạp chất xâm nhập do lấy mẫu (đặc biệt đối vớiTrang 5Science & Technology Development, Vol 19, No.T5-2016các quá trình sinh học, nhiễm khuẩn có thể thayđổi toàn bộ quá trình công nghệ, tạo ra sản phẩmkhông mong muốn hay độc tố).Thích hợp phân tích cho dải nồng độ rộng:Nồng độ của các quá trình kết tinh thông thườngcó thể biến đổi trong khoảng khá rộng thí dụ từ1–40 % từ lúc sinh mầm cho đến phát triển tinhthể và sau đó hệ đạt cân bằng. Hoặc đối với quátrình lên men, OD (optical density) có thể đạt đến50–100 OD hay thậm chí rất cao ở cuối quá trình.Vậy nên kỹ thuật đo phải đủ khả năng phân giảitrong khoảng biến đổi nồng độ rộng.Phép đo trong thời gian thực (real timeanalysis): Thông thường các phương pháp truyềnthống như phương pháp lắng hay rây có thể kéodài hàng giờ (thậm chí đơn vị tính có thể là ngày)cho mỗi phép đo đơn lẻ. Nhược điểm này khiếnchúng không đủ hiệu quả để theo dõi các quátrình động và diễn ra trong thời gian ngắn. Nhằmnâng cao khả năng tự động hóa và điều khiển, cácphép đo đòi hỏi phải có độ hồi tiếp nhanh, xuấtkết quả trong thời gian thực. Thí dụ, để quan sátquá trình sinh mầm trong kỹ thuật kết tinh, thờigian đo yêu cầu xuất kết quả sau mỗi giây, tuynhiên đối với các quá trình sinh học, thời gian đocó thể kéo dài do động học của quá trình diễn rachậm hơn.Phép đo phải mang tính xử lý thống kê: Mặcdù phương pháp phân tích ảnh kính hiển vi vẫnđang là phương pháp phổ biến hiện nay, nhượcđiểm lớn nhất của phương pháp này là tính hạnchế với mẫu có nồng độ cao, thường không quá5–10 %. Vì thế số lượng hạt được phân tích trênmỗi ảnh thường chỉ vài trăm, kết quả khôngmang tính đại diện cho toàn hệ.Hiện nay có một số phương pháp được sửdụng phổ biến nhằm xác định phân bố cỡ hạt, cóthể chia các phương pháp này thành hai nhóm.Nhóm thứ nhất bao gồm các phương pháp đo trựctiếp (in/on-line) ngay trong qui trình công nghệnhư việc sử dụng són ...