Đang tải... (xem toàn văn)
Untitled TAÏP CHÍ PHAÙT TRIEÅN KH&CN, TAÄP 19, SOÁ T5 2016 Trang 5 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 Lê Minh[.]
TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 19, SỐ T5- 2016 Tổng quan Phương pháp đại phân tích trình cơng nghệ hóa học sinh học dựa phương pháp phản xạ tia Laser Lê Minh Tâm Friedel H Schwartz Sequip S&E GmbH, Düsseldorf, Đức (Bài nhận ngày 23 tháng 09 năm 2015, nhận đăng ngày 02 tháng 12 năm 2016) TÓM TẮT Xác định phân bố cỡ hạt (PSD – Particle số kết nghiên cứu việc sử dụng phương Size Distribution) nhiệm vụ pháp phản xạ Laser việc xác định phân tích quan trọng để quan sát điều khiển cấp hạt thời gian thực (in-situ and real q trình cơng nghệ hóa học sinh học Trong time conditions) Hai trình chọn lọc để điều kiện hạt liên tục chuyển động tác giới thiệu bao gồm: kết tinh amino acid Ldụng lưu chất, việc xác định thách arginine trình sinh học thức mặt kỹ thuật Bài báo tổng hợp Từ khóa: xác định phân bố cỡ hạt, phản xạ Laser, quan sát trực tuyến q trình sinh học hóa học MỞ ĐẦU Mật độ hạt phân bố cỡ hạt hai đặc tính quan trọng hầu hết q trình cơng nghệ liên quan đến hệ dị thể [1] Biến đổi mật độ hạt theo thời gian, hay nói cách khác nồng độ, cho biết mức độ chuyển hóa q trình Trong đó, phân bố cỡ hạt định hàng loạt tính chất quan trọng sản phẩm cuối tốc độ hòa tan thành phần dược phẩm, tính chất hóa lý hạt rắn (hoạt tính hóa học, khả lưu động, vón cục, v.v), khả xúc tác (phụ thuộc vào bề mặt riêng hạt xúc tác), hay bền vững hệ nhũ tương sử dụng rộng rãi mỹ phẩm sản phẩm chăm sóc cá nhân, v.v Hiện nay, việc phát triển cơng nghệ nhằm phân tích phân bố cỡ hạt với độ xác cao giảm thiểu tác động hệ hạt gốc (hạn chế lấy mẫu) nhu cầu cấp thiết nhiều ngành công nghiệp Vì thế, năm 2004, tổ chức FDA (Food and Drug Administration, USA) hệ thống hóa đưa tiêu chuẩn đo lường nhằm nâng cao khả tối ưu hóa q trình cơng nghệ, từ hình thành nên khái niệm kỹ thuật phân tích q trình (Process Analytical Technology, PAT) [2] PAT áp dụng cho trình sản xuất dược phẩm sau nhanh chóng áp dụng rộng rãi lĩnh vực khác thực phẩm, sinh học, v.v Hiệu phương pháp phân tích đánh giá dựa khả theo dõi liên tục từ đầu đến cuối q trình cơng nghệ Một số yêu cầu quan trọng phương pháp phân tích đại kể đến bao gồm: Khả đo đạc trực tuyến (in/on-line) qui trình cơng nghệ, khơng lấy mẫu khơng pha lỗng (in-situ conditions): Hạn chế lấy mẫu để đo đạc yêu cầu hàng đầu phương pháp nghiên cứu đại Việc tránh lấy mẫu theo thời gian giải nhiều vấn đề giảm thiểu lượng sản phẩm (đặc biệt qui mơ nhỏ phịng thí nghiệm), hạn chế khả nhiễm tạp chất xâm nhập lấy mẫu (đặc biệt Trang Science & Technology Development, Vol 19, No.T5-2016 trình sinh học, nhiễm khuẩn thay đổi tồn q trình cơng nghệ, tạo sản phẩm khơng mong muốn hay độc tố) Thích hợp phân tích cho dải nồng độ rộng: Nồng độ trình kết tinh thơng thường biến đổi khoảng rộng thí dụ từ 1–40 % từ lúc sinh mầm phát triển tinh thể sau hệ đạt cân Hoặc trình lên men, OD (optical density) đạt đến 50–100 OD hay chí cao cuối q trình Vậy nên kỹ thuật đo phải đủ khả phân giải khoảng biến đổi nồng độ rộng Phép đo thời gian thực (real time analysis): Thông thường phương pháp truyền thống phương pháp lắng hay rây kéo dài hàng (thậm chí đơn vị tính ngày) cho phép đo đơn lẻ Nhược điểm khiến chúng không đủ hiệu để theo dõi trình động diễn thời gian ngắn Nhằm nâng cao khả tự động hóa điều khiển, phép đo địi hỏi phải có độ hồi tiếp nhanh, xuất kết thời gian thực Thí dụ, để quan sát q trình sinh mầm kỹ thuật kết tinh, thời gian đo yêu cầu xuất kết sau giây, nhiên q trình sinh học, thời gian đo kéo dài động học trình diễn chậm Phép đo phải mang tính xử lý thống kê: Mặc dù phương pháp phân tích ảnh kính hiển vi phương pháp phổ biến nay, nhược điểm lớn phương pháp tính hạn chế với mẫu có nồng độ cao, thường khơng 5–10 % Vì số lượng hạt phân tích ảnh thường vài trăm, kết khơng mang tính đại diện cho tồn hệ Hiện có số phương pháp sử dụng phổ biến nhằm xác định phân bố cỡ hạt, chia phương pháp thành hai nhóm Nhóm thứ bao gồm phương pháp đo trực tiếp (in/on-line) qui trình cơng nghệ việc sử dụng sóng siêu âm, phản xạ tia Laser, v.v Nhóm thứ hai bao gồm phương pháp đo Trang không trực tiếp (off-line) phương pháp rây, lắng, kính hiển vi điện tử, tán xạ ánh sáng, v.v Nhược điểm lớn phương pháp phân tích khơng trực tiếp phải tiến hành lấy mẫu chuẩn bị mẫu cho phép đo riêng lẽ Một số hạn chế tiêu biểu phép đo không trực tiếp đơn cử kể đến: Phương pháp rây phải sử dụng lượng mẫu tương đối lớn, thời gian phân tích dài, khó phân giải cấp hạt mịn vài µm Phương pháp lắng cần thời gian phân tích dài, thường kéo dài vài ngày [3] Phương pháp kính hiển vi điện tử gặp nhiều khó khăn mẫu có nồng độ cao vấn đề phân mảnh hạt (background) thuật tốn xử lý hình ảnh, thường phân tích với số lượng hạt tối đa vài trăm hạt khung hình [4] Phương pháp tán xạ ánh sáng có ưu điểm phân tích hạt tới kích thước nano nhược điểm đo không trực tiếp kết xử lý thuật tốn có sử dụng số giả định (hai phương pháp thường sử dụng Mie Fraunhofer) [5] Những phương pháp khơng hiệu để phân tích q trình thời gian thực Vượt qua hạn chế trên, phương pháp đánh giá có đủ khả phân tích trình thời gian thực phải kể đến phương pháp phản xạ tia Laser Phương pháp phản xạ tia Laser phương pháp trực tiếp đo tia phản xạ từ bề mặt hạt, từ đưa kết phân tích mật độ hạt, phân bố cỡ hạt thông tin liên quan đến trạng thái bề mặt hạt Bài báo tập trung bàn luận phương pháp xác định phân bố cỡ hạt hiệu cao dựa phương pháp phản xạ tia Laser công ty Sequip Particle Technology (Sequip S&E GmbH) PHƯƠNG PHÁP PHẢN XẠ TIA LASER ỨNG DỤNG TRONG XÁC ĐỊNH PHÂN BỐ CỠ HẠT Hệ thống sử dụng nguồn Laser với lượng hiệu chỉnh phạm vi từ 1–20 mW Chùm tia Laser đơn sắc (bước sóng 782 nm) từ nguồn dẫn đến hệ thấu kính (3) TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 19, SỐ T5- 2016 sợi quang học đơn (single-fiber) với tiết diện µm (5) chia quang (6) đến định hướng (4) Sau vào hệ thấu kính động (tốc độ góc m/s), chùm hội tụ (2) tạo điểm hội tụ vị trí (7) trước cửa sổ thạch anh (1) Khi điểm hội tụ chuyển động tịnh tiến theo chiều dọc trục, thiết bị hoạt động theo nguyên lý 1-D Tương tự, điểm hội tụ chuyển động tròn mặt phẳng song song với cửa sổ thạch anh, thiết bị 2D Kết hợp hai kiểu chuyển động trên, quỹ đạo xoắn ốc tạo từ chuyển động nhanh điểm hội tụ theo phương thức 3-D Do phát tất hạt thể tích ba chiều liên tục Kỹ thuật phát diện tích bề mặt hạt hay thể tích hạt thay có chiều dài dây cung (chord length) hạt Tính bước tiến đáng kể so với phương pháp thông thường, đặc biệt trường hợp hạt có hình dạng phức tạp tinh thể hình kim hạt có kích thước lớn Ngồi ra, việc sử dụng sợi quang học đơn (singlefiber) cho phép phát xác có hạt điểm hội tụ, hạt ngồi điểm hội tụ phần thuộc vào điểm hội tụ (out of focus) lọc bỏ Bên cạnh đó, ưu điểm kỹ thuật phân tích độ xác cao độ lặp lại tốt liệu thực nghiệm (phân tích hàng nghìn hạt giây) [6] Hình Sơ đồ nguyên lý đầu dò phản xạ Laser Cửa sổ thạch anh Chùm tia Laser hội tụ Hệ thống thấu kính quang học động Bộ phận định hướng chùm tia tới chùm tia phản xạ Sợi quang học đơn (single-fiber) Bộ chia quang Điểm hội tụ chuyển động (dynamic focus) Có hai vùng vật lý quan trọng mơ tả Hình bao gồm vùng gây nên hiệu ứng đa phân tán (multi scatter effect) vùng gây nên hiệu ứng tắt (damping effect) Hiệu ứng đa phân tán hình thành phản xạ hạt thứ cấp tạo nên tín hiệu nhiễu Trong đó, hiệu ứng tắt làm tiêu hao tín hiệu dẫn đến tín hiệu yếu để phân tích Vùng đa phân tán, trực tiếp phía trước cửa sổ cảm biến, chịu ảnh hưởng tính chất quang học (optical property) hệ dị thể Mức độ phản xạ Laser vùng chịu tác động hiệu ứng tắt phụ thuộc vào tính chất quang học hạt hệ phân tán (thí dụ số khúc xạ, trạng thái bề mặt hạt, khả hấp thụ phản xạ ánh sáng) Hình Nguyên lý phương pháp phản xạ Laser Khoảng cách từ cửa sổ thạch anh đến điểm hội tụ gọi khoảng di chuyển TD (travel distance) TD đóng vai trị quan trọng việc xác định kích thước hạt TD nhỏ cho phép phát hạt mịn Ngược lại, điểm hội tụ chuyển động sâu vào môi trường, trọng tâm quang học mở rộng phát hạt với kích thước lên đến 2000 µm (trong trường hợp đặc biệt đến 4000 µm) Vị trí điểm hội tụ, đó, ảnh hưởng lớn đến việc xác định kích thước hạt biến đổi kích thước hạt suốt trình Nếu giả định hạt có dạng hình cầu, khoảng TD tối ưu ½ kích thước hạt cần nghiên cứu Vị trí tối ưu TD hai vùng gây nên hiệu ứng đa phân tán hiệu ứng tắt Trang Science & Technology Development, Vol 19, No.T5-2016 Bên cạnh giá trị TD, lượng Laser sử dụng yếu tố quan trọng định kết đo Tương quan mật độ quang học hấp thụ quang học hệ dị thể dẫn đến cần phải xác định lượng Laser tối ưu cho loại vật liệu khác Thí dụ Laser 10 – 20 mW khuyến cáo cho vật liệu có độ hấp thụ quang học mạnh carbon, vật liệu có độ phản xạ mạnh thư TiO2 nguồn Laser khơng nên vượt q mW dẫn đến q tải cho thu tín hiệu phản xạ Như vậy, bên cạnh TD, nguồn lượng Laser yếu tố cần phải tối ưu hóa cho loại vật liệu khác Hiện phương pháp phản xạ Laser áp dụng thành công nhiều lĩnh vực công nghệ, đơn cử như: Việc theo dõi trực tuyến phân bố cỡ hạt trạng thái động giọt/bọt hệ phản ứng dị thể pha (khí)-(nước)(inonic lỏng) cơng bố Torres-Martínez Melgarejo-Torres [7, 8] Christian Hahn áp dụng thành công kỹ thuật để theo dõi trình lên men sữa [9] Việc nghiên cứu trình sinh trưởng phát triển E coli công bố [10], v.v Trong báo này, phương pháp phản xạ tia Laser sử dụng để theo dõi trực tuyến trình giới thiệu qua hai thí dụ: kết tinh amino acid công nghệ sinh học ỨNG DỤNG TRONG QUAN SÁT TRỰC TUYẾN QUÁ TRÌNH KẾT TINH AMINO ACID L-ARGININE Arginine amino acid quan trọng cho tăng trưởng động vật Các dẫn xuất với acid hữu vô ý lĩnh vực vật liệu quang học [11] Tuy nhiên, việc thiết kế trình kết tinh amino acid cịn gặp nhiều khó khăn chưa có đầy đủ liệu cần thiết độ tan (cân rắnlỏng) khả trì trạng thái giả bền trước sinh mầm đồng thể (induction period) Trang Trong phần này, kỹ thuật phản xạ tia Laser công ty Sequip S&E GmbH sử dụng để theo dõi trực tuyến trình kết tinh Thí dụ q trình kết tinh dung dịch L-arginine thực chu kỳ biểu diễn Hình [12] Ở chu kỳ thứ nhất, dung lịch L-arginine bão hòa 35 oC làm lạnh đến 10 oC trình kết tinh quan sát đoạn A→B→C Sau đó, tinh thể hịa tan hoàn toàn cách nâng nhiệt độ hệ lên 40 oC biểu diễn đoạn C→D Từ dung dịch suốt đó, nhiệt độ hệ giảm đến oC để kết tinh chu kỳ thứ hai (E→F→G→H) Từ kết thu hai chu kỳ, dễ dàng nhận thấy lặp lại tốt kỹ thuật đo đồng dạng hai chu kỳ Riêng chu kỳ hai độ bão hòa cao nên trình kết tinh diễn sâu so với chu kỳ thứ Phân tích chi tiết chu kỳ thứ nhận thấy: Tại thời điểm ban đầu trình, dung dịch q bão hịa 10 oC, số lượng tín hiệu phản xạ (Quantity) ghi nhận gần dung dịch suốt (từ A→B, xem Hình 3) Sau đó, q trình sinh mầm đồng thể xảy thời điểm định độ bão hòa Sự sinh mầm làm số lượng hạt tăng đột biến kiện quan sát thời điểm B (Hình 3) Quá trình phát triển tinh thể tiếp diễn dẫn đến biến đổi liên tục tập hợp hạt kiện ghi nhận khoảng B→C Do trình sinh mầm phát triển tinh thể diễn liên tục, tinh thể phát triển từ các mầm tinh thể nhỏ đồng thời trình sinh mầm thứ cấp diễn bù đắp lại lượng mầm tiêu hao trước Do vậy, phân đoạn hạt mịn 5– 30 µm không thay đổi số lượng hạt phân đoạn 30–150 µm tăng lên khơng ngừng sau đạt đến cân Các kiện tương tự quan sát chu kỳ thứ hai Như vậy, với việc thiết lập thông số đo phù hợp, q trình kết tinh dễ dàng theo dõi trực tuyến từ lúc sinh mầm, phát triển tinh thể, hệ đạt cân với kỹ thuật phản xạ Laser TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 19, SỐ T5- 2016 Hình Q trình kết tinh hòa tan L-arginine theo dõi thời gian thực Từ Hình 3, thơng số quan trọng q trình kết tinh rút thời gian trì trạng thái giả bền (induction period) Larginine dung dịch nước với độ bão hòa khác Kết biểu diễn Hình Đây liệu quan trọng việc tối ưu hóa động học trình kết tinh Hiện nay, phương pháp phát triển mạnh mẽ nhằm tinh chế đồng phân quang học (enantiomer) dược phẩm biết đến với tên gọi ―kết tinh chọn lọc‖ (preferential crystallization) [13, 14] Trong phương pháp này, Hình Thời gian trì độ bão hòa T_in (induction time) L-arginine [12] dung dịch chứa đồng thời đồng phân quang học đưa vào vùng giả bền Sau mầm đồng thể hai đồng phân đưa vào để kết tinh đồng phân mục tiêu đồng phân lại dung dịch khoảng thời gian định Toàn trình phụ thuộc vào độ rộng vùng giả bền thời gian trì vùng giả bền Do vậy, liệu thời gian trì vùng giả bền thu từ phép đo cần thiết cho việc thiết kế tối ưu trình kết tinh L-arginine Hình Độ tan L-arginine xác định theo phương pháp đa nhiệt [12] Trang Science & Technology Development, Vol 19, No.T5-2016 Bên cạnh đó, sử dụng kỹ thuật đo cho phép quan sát trình hịa tan chất rắn vào dung mơi định Sự minh họa biểu diễn Hình hai chu kỳ Ở đây, nhiệt độ toàn hệ nâng lên 40 oC, trình vỡ hạt (breakage) nhanh chóng diễn làm số hạt tăng đột ngột kiện diễn C G Sau dó hạt nhanh chóng tan tạo dung dịch suốt (clear solution) D H Như vậy, nâng nhiệt chậm (thí dụ tốc độ nâng nhiệt 0,5 K/min, hệ khuấy trộn) cho hệ huyền phù có nồng độ xác định hạt tan Dựa nguyên lý xác định độ tan theo phương pháp đa nhiệt, đến hạt tan hịa tồn nhiệt độ tương ứng với nhiệt độ bão hòa Bằng cách áp dụng phương pháp với việc sử dụng thiết bị đo trực tuyến, ta xác định đường cong độ tan Larginine dung dịch nước Hình Áp dụng phương pháp Apenblat cho cân rắnlỏng, thông số (nội hàm chúng bao gồm enthalpy entropy trình hịa tan) mơ hình tốn xác định phương trình sau [12] ln x A B 1 C ln T 9.7925 103 65.8878 - 65.8878 ln T T T Cùng với liệu miền giả bền, giá trị độ tan thơng số định đến q trình kết tinh Như vậy, việc sử dụng phương pháp đo cho phép xác định trực tuyến đồng thời độ tan miền giả bền mà không cần tiến hành lấy mẫu thực điều kiện gốc trình động đốn y học đưa phương pháp trị liệu thích hợp Việc tối ưu hóa q trình sinh học điều kiện nhiệt độ, pH, độ ẩm thời gian, v.v đòi hỏi áp dụng cơng nghệ đo hiệu để phân tích thơng số cụ thể khả hoạt động hệ vi sinh Kỹ thuật phản xạ Laser với chức cung cấp thông tin số lượng, kích thước hình dạng tế bào, sử dụng để theo dõi tượng tăng trưởng tế bào, phân chia thành tế bào chết chúng Trạng thái bề mặt tế bào phản ánh hoạt tính chúng, phổ phản xạ tế bào sống chết có cường độ hình dạng khác dao dộng đồ Hình minh họa mức độ phản xạ quang học tế bào sống chết Kết nghiên cứu tế bào sống cho thấy tín hiệu phản xạ chúng có cường độ cao so với tế bào chết tương ứng [10, 16] Tỷ lệ sống chết tế bào đánh giá cách phân tích giá trị OBF (obscuration factor, hàm tích hợp thuật tốn Sequip) mà giá trị trung bình phản ánh hành vi phản xạ Laser bề mặt tế bào Trên thực tế, OBF liên quan mật thiết đến trạng thái bề mặt tế bào Thí dụ sau minh họa ứng dụng có sử dụng giá trị OBF nhằm quan sát trực tuyến trình chết tế bào ung thư ỨNG DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU CÁC QUÁ TRÌNH SINH HỌC Hiện nay, trình sinh học đánh giá công nghệ tiềm cho ngành công nghiệp sản xuất chế phẩm vi sinh chẳng hạn vitamin, amino acid chất thơm v.v Chúng sử dụng rộng rãi nhằm cung cấp chất dinh dưỡng cho người động vật để sản xuất hóa chất [15] Hơn nữa, trình lên men ni cấy tế bào sở chẩn Trang 10 Hình Khả phản xạ Laser tế bào sống tế bào chết [16] TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 19, SỐ T5- 2016 Hình cho thấy biến đổi tế bào ung thư điều trị tác nhân hóa trị liệu Có thể thấy số lượng tế bào (counts) không đổi suốt thời gian xử lý tế bào ung thư Tuy nhiên, giá trị OBF giảm dần chứng tỏ khả sống tế bào liên tục giảm suốt thời gian hóa trị liệu Sau khoảng 15 phút tất tế bào ung thư bị chết Từ kết kết luận quan trọng hiệu tác nhân hóa trị sử dụng để tiêu diệt tế bào ung thư cụ thể rút Hình Xử lý tế bào ung thư tác nhân hóa trị liệu [16] Bên cạnh việc quan sát chết tế bào, chức khác quan trọng nhằm theo dõi tăng trưởng phân chia tế bào phát triển Sequip Một biến xác định, gọi xác suất trùng hợp ngẫu nhiên (COP – coincidence propability) Các giá trị COP khoảng cách tương đối hạt với nhau, tức khoảng cách trung bình hạt (D) liên quan đến số hạt (n) theo phương trình: COP D / n Hình Quá trình tăng trưởng E coli [16] Nếu trình tăng trưởng tế bào diễn ra, khơng số lượng tế bào mà COP tăng [10, 16] Để phân biệt hai hạt cạnh nhau, thời gian khác ms điều kiện cần thiết Các kết quan sát trình lên men sử dụng vi khuẩn E coli biểu diễn Hình Trong khoảng thời gian đầu (A→B), giá trị COP tương đối ổn định chứng tỏ trạng thái vi khuẩn không thay đổi Tuy nhiên, sau chất dinh dưỡng bổ sung B, vi khuẩn phát triển mạnh từ – giờ, tương ứng đoạn B→C Sau giá trị trì thời gian có xu hướng giảm dần (từ C→D) chất đinh dưỡng cho vi khuẩn tiêu hao sử dụng Sự gia tăng COP tăng trưởng phát triển tế bào Như vậy, hai tính chất vật lý OBF COP sử dụng với tổng số hạt đếm nhằm theo dõi trình sinh học cách trực tuyến So với kỹ thuật khác để nghiên cứu hoạt tính tế bào, kỹ thuật Laser cho thấy có nhiều ưu vượt trội phân tích thời gian thực, khơng cần sử dụng chất nhuộm tế bào (như calcein/propidium iodide, v.v.), không cần lấy mẫu không cần pha lỗng Đối với q trình sinh học, ưu điểm lớn giúp hạn chế khả xâm nhập vi khuẩn lạ hay vi sinh vật khơng mong muốn Ngồi ra, thí nghiệm độc lập hệ tảo Scenedesmus tiến hành nhằm so sánh kết phương pháp phản xạ Laser kính hiển vi điện tử Kết phân tích kính hiển vi điện tử Hình 9A cho thấy hạt sơ cấp tảo Scenedesmus có kích thước vào khoảng – µm Trên thực tế, số tảo đơn lẻ kết tụ thành khối lớn phân chia thành tế bào làm thay đổi hoạt tính tảo Áp dụng phương pháp phản xạ Laser, hạt sơ cấp thứ cấp tảo Scenedesmus cho phân bố thống kê với kích thước đặc trưng d5, d50 d95 0,8; 4,3 8,1 µm (Hình 9B) Kết hồn tồn phù hợp với phương pháp kính hiển vi điện tử Trang 11 Science & Technology Development, Vol 19, No.T5-2016 A B Hình A) Ảnh kính hiển vi điện tử tảo Scenedesmus, B) Biểu đồ phân bố histogram kích thước hạt xác định phương pháp phản xạ Laser Ngoài ra, việc sử dụng phương pháp đo trực tuyến cịn cho phép xác định q trình phức tạp kết tụ - giải kết tụ Việc thay đổi trạng thái tập hợp ảnh hưởng dến tính chất đối tượng sinh học [17, 18] Thí nghiệm sau tiến hành tảo Bracteacoccus Tảo Bracteacoccus dễ dàng kết tụ thành khối lớn (Hình 10A), khối bền Dưới tác động học (thí dụ khuấy trộn), khối kết tụ dễ dàng bị phá vỡ thành cấu trúc nhỏ Quá trình kết tụ - giải kết tụ tảo Bracteacoccus trình động, sử A dụng kỹ thuật phản xạ tia Laser xác định trạng thái hệ thời gian thực Hình 10B mơ tả đường cong tích lũy hệ Ban đầu hệ tồn khối kết tụ lớn (d50 = 49,5 µm), sau 30 giây khấy trộn, khối bị phân chia thành tập hợp nhỏ với kích thước trung bình d50 = 29,6 µm Tương ứng với q trình thấy đường cong tích lũy dịch chuyển sang trái tập hợp hạt lúc có kích thước nhỏ so với trước tác động học vào hệ B Hình 10 A) Ảnh kính hiển vi đện tử tảo Brateacoccus, khối kết tụ hình thành bền học; B) Biểu đồ đường cong tích lũy kích thước hạt xác định phương pháp phản xạ Laser Trang 12 TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 19, SỐ T5- 2016 KẾT LUẬN Trong thập niên gần đây, xu hướng ứng dụng PAT vào quan sát tối ưu trình hóa học sinh học phát triển nhanh chóng giới Các tập đồn lớn BASF, Evonik, Bayer, v.v đầu tư mạnh mẽ vào lĩnh vực nhằm tăng cường khả tối ưu hóa, giảm thiểu rủi ro cho q trình sản xuất Đối với vấn đề xác định phân bố cỡ hạt hệ dị thể, phương pháp đại giới thiệu báo với việc sử dụng kỹ thuật phản xạ Laser thể nhiều ưu điểm mà phương pháp truyền thống không đủ hiệu lực Khả bật phương pháp phản xạ tia Laser kể đến hồi tiếp nhanh, xuất kết thời gian thực Ngồi ra, kết đạt mang tính thống kê cao đo đạc với số lượng hạt lớn (chục-trăm nghìn hạt) Đặc biệt khơng cần lấy mẫu, phương pháp không làm thay đổi trạng thái tập hợp hạt Điều quan việc nghiên cứu hệ thống động (dynamic systems) kết tụ điện tích bề mặt protein, vỡ-sinh hạt kỹ thuật tạo hạt dược phẩm, kích thước bọt khí hay giọt lỏng hệ dị thể lỏng-khí hay lỏng-lỏng, v.v đại lượng phân tích định lượng nhờ kỹ thuật Hai thí dụ giới thiệu báo bao gồm trình kết tinh trình sinh học minh họa hiệu việc ứng dụng kỹ thuật việc đo đạc trực tuyến trình động Ngồi cịn có nhiều ứng dụng khác cơng bố tạp chí chun ngành thực phẩm, phản ứng dị thể, v.v Tóm lại, khả ứng dụng đa dạng công cụ mạnh việc đánh giá q trình cơng nghệ khiến cho việc sử dụng kỹ thuật phản xạ Laser trở nên cấp thiết nghiên cứu phát triển học thuật cho ngành công nghiệp, đặc biệt mơi trường khắc nghiệt, dễ cháy nổ, địi hỏi tự động hóa cao Review Advanced methods for in situ chemical and bio processes analysis based on the Laser back-reflectance measurement technology Le Minh Tam Friedel H Schwartz Sequip S&E GmbH, Düsseldorf, Germany ABSTRACT Determination of the particle size distribution (PSD) is one of the most important tasks to monitor and control for most of chemical and bio-processes In continuous movement of particles under effects of the carrying fluid, PSD determination is a technically challenging This article summarizes some researches in which Laser back reflectance measurement method was used for in-situ and in real time PSD analysis Two processes are selected to introduce including: crystallization of the amino acid Larginine and biological processes Keywords: particle size distribution, Laser back reflectance measurement, in-situ chemical and bioprocess monitoring Trang 13 Science & Technology Development, Vol 19, No.T5-2016 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] F Schwartz, J Schwartz, Proceeding of BIWIC 2012, 19th International Workshop on Industrial Crystallization, China (2012) [2] FDA, Pharmaceutical cGMPs for the 21st century – A risk based approach, Final Report, September 2004 [3] T Allen, Powder sampling and particle size determination, Elsevier (2003) [4] D Sarkar, D.X Tien, Z Ying, R Srinivasan, In situ particle size estimation for crystallization processes by multivariate image analysis, Chem Eng Sci., 64, 9–19 (2009) [5] Z Stojanovic, S Markovic, Determination of partice size distributions by Laser diffraction, Technics – New Materials, 21, 10-22 (2012) [6] http://www.sequip-particle-technology.de [7] D Torres-Martínez, R Melgarejo-Torres, M Gutiérrez-Rojas, L Aguilera-Vázquez, M Micheletti, G.J Lye, S Huerta-Ochoa, Hydrodynamic and oxygen mass transfer studies in a three-phase (air–water–ionic liquid) stirred tank bioreactor, Biochemical Engineering Journal, 45, 3, 209–217 (2009) [8] R Melgarejo-Torres, D Torres-Martinez, M Gutierrez-Rojas, A Gomez de Jesus, G.J Lye, S Huerta-Ochoa, Regime analysis of a Baeyer-Villiger bioconversion in a three phase (air-water-ionic liquid) stirred tank bioreactor, Biochemical Engineering Journal, 58, 87–95 (2011) [9] C Hahn, S Wille, G Migliore, L Mertz, J Weiss, J Hinrichs, Inline messung von mikrogelpartikel in frischkäse, DMW – Die Milchwirtschaft, 11, 422–425 (2012) [10] A Brognaux, J Bugge, F.H Schwartz, P Thonart, S Telek, F Delvigne, Real-time monitoring of cell viability and cell density on the basis of a three dimensional optical reflectance method (3D-ORM): Trang 14 investigation of the effect of sub-lethal and lethal injuries, J Ind Microbiol Biotechnol., 40, 7, 679–686 (2013) [11] T Mallik, T Kar, G Bocelli, A Musatti, Structural and thermal characterization of Larginine dihydrate - a nonlinear optical material, Crystal Research and Technology, 41, 3, 280–284 (2006) [12] L.M Tam, Solubility and Induction Time of the L-enantiomer of amino acid arginine determination with in situ 3D-ORM, 20th International Workshop on Industrial Crystallization, Danmark, 373–379 (2013) [13] H Lorenz, D Polenske, A.S Morgenstern, Application of preferential crystallization to resolve racemic compounds in a hybrid process, Chirality, 18, 10, 828–840 (2006) [14] Y Lu, X Wang, C.B Ching, Application of preferential crystallization for different types of racemic compounds, Ind Eng Chem Res., 48, 15, 7266–7275 (2009) [15] G Festel, J Knöll, H Götz, H Zinke, Der Einfluss der Biotechnologie auf Produktionsverfahren in der Chemieindustrie, Chemie Ingenieur Technik, 76, 3, 307–312 (2004) [16] L Helmdach, F Schwartz, J Ulrich, Process control using advanced particle analyzing systems: applications from crystallization to fermentation processes, Chem Eng Technol., 37, 2, 213–220 (2014) [17] Y.V Frenkel, A.D Clark, K Das, Y.H Wang, P.J Lewi, P.A Janssen, E Arnold, Concentration and pH dependent aggregation of hydrophobic drug molecules and relevance for oral bioavailability, J Med Chem., 48, 1974–1983 (2005) [18] L Pohjala, P Tammela, Aggregating behavior of phenolic compounds - a source of false bioassay results?, Molecules, 17, 10774–10790 (2012) ... thực phải kể đến phương pháp phản xạ tia Laser Phương pháp phản xạ tia Laser phương pháp trực tiếp đo tia phản xạ từ bề mặt hạt, từ đưa kết phân tích mật độ hạt, phân bố cỡ hạt thông tin liên quan... luận phương pháp xác định phân bố cỡ hạt hiệu cao dựa phương pháp phản xạ tia Laser công ty Sequip Particle Technology (Sequip S&E GmbH) PHƯƠNG PHÁP PHẢN XẠ TIA LASER ỨNG DỤNG TRONG XÁC ĐỊNH PHÂN... sát trực tuyến trình chết tế bào ung thư ỨNG DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU CÁC QUÁ TRÌNH SINH HỌC Hiện nay, trình sinh học đánh giá công nghệ tiềm cho ngành công nghiệp sản xuất chế phẩm vi sinh chẳng hạn