Capillary electrophoresis for monitoring of carboxylic, phenolic and amino acids in bioprocesses

Bioprocess technology is a multidisciplinary industry that combines knowledge of biology and chemistry with process engineering. It is a growing industry because its applications have an important role in the food, pharmaceutical, diagnostics and chemical industries. In addition, the current pressure to decrease our dependence on fossil fuels motivates new, innovative research in the replacement of petrochemical products. Bioprocesses are processes that utilize cells and/or their components in the production of desired products. Bioprocesses are already used to produce fuels and chemicals, especially ethanol and building-block chemicals such as carboxylic acids. In order to enable more efficient, sustainable and economically feasible bioprocesses, the raw materials must be cheap and the bioprocesses must be operated at optimal conditions. It is essential to measure different parameters that provide information about the process conditions and the main critical process parameters including cell density, substrate concentrations and products. In addition to offline analysis methods, online monitoring tools are becoming increasingly important in the optimization of bioprocesses. Capillary electrophoresis (CE) is a versatile analysis technique with no limitations concerning polar solvents, analytes or samples. Its resolution and efficiency are high in optimized methods creating a great potential for rapid detection and quantification. This work demonstrates the potential and possibilities of CE as a versatile bioprocess monitoring tool. As a part of this study a commercial CE device was modified for use as an online analysis tool for automated monitoring. The work describes three offline CE analysis methods for the determination of carboxylic, phenolic and amino acids that are present in bioprocesses, and an online CE analysis method for the monitoring of carboxylic acid production during bioprocesses. The detection methods were indirect and direct UV, and laser-induced frescence. The results of this work can be used for the optimization of bioprocess conditions, for the development of more robust and tolerant microorganisms, and to study the dynamics of bioprocesses.

Bioprosessitekniikka on monitieteellinen teollisuudenala, joka yhdistää biologian ja kemian tietämyksen kemiantekniikkaan. Se on kasvava teollisuudenala, koska sen sovellukset ovat hyvin tärkeitä ruoka-, farmasia-, diagnostiikka- ja kemianteollisuudelle. Tämän lisäksi riippuvuutta öljystä tulee vähentää merkittävästi, mikä mahdollistaa uuden ja innovatiivisen tutkimuksen petrokemikaalituotteiden korvaamiseksi. Bioprosessit ovat prosesseja, jotka käyttävät soluja ja/tai niiden osia tuottamaan haluttuja tuotteita. Bioprosesseja on jo käytetty polttoaineiden ja kemikaalien tuottamiseen, erityisesti etanolin ja ns. building-block kemikaalien, kuten karboksyylihappojen, tuottamiseen. Jotta bioprosesseista saadaan tehokkaampia ja taloudellisesti kannattavampia, raaka-aineiden on oltava halpoja ja bioprosessien on toimittava optimaalisissa olosuhteissa. Erilaisten parametrien mittaaminen on välttämätöntä, sillä ne antavat tietoja prosessin tilasta ja kriittisistä prosessiparametreista, joita ovat biomassa, lähtöaineet ja tuotteet. Offline-mittausten lisäksi online-määritykset kasvattavat merkitystään bioprosessien optimoinnissa. Kapillaarielektroforeesi (CE) on monipuolinen analyysitekniikka, jolla ei ole rajoituksia polaaristen liuottimien, analyyttien tai näytteiden kanssa. Optimoitujen menetelmien korkea resoluutio ja tehokkuus mahdollistavat nopean detektoinnin ja kvantifioinnin. Tämä työ osoittaa CE:n potentiaalin monipuolisena bioprosessimonitorointityökaluna. Osana tätä tutkimusta kaupallinen CE-laitteisto muutettiin toimimaan online-analysointilaitteistona prosessien automaattista monitorointia varten. Tämä työ kuvaa kolme offline-CE analyysimenetelmää karboksyyli-, fenolija aminohappojen analysointiin sekä yhden online-CE analyysimenetelmän karboksyylihappojen monitorointiin bioprosessien aikana. Käytetyt detektointimenetelmät olivat epäsuora ja suora UV sekä laser-indusoitu fluoresenssi. Työn tuloksia voidaan käyttää bioprosessiolosuhteiden optimoinnissa, elinvoimaisempien ja kestävämpien mikro-organismien kehittämisessä sekä bioprosessien dynamiikan tutkimisessa. Avainsanat