Biyoproseslerin proses analitik teknolojisi (PAT) yaklaşımıyla incelenmesi
Investigation of bioprocesses using process analytical technology (PAT) approach
Yazar: HULKİ ÖZEL
Danışman: PROF. DR. MURAT ELİBOL
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomühendislik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering

Özet:
"Proses Analitik Teknolojisi (PAT)" son ürün kalitesini temin edebilmek için hammaddelerin, proses girdilerinin ve çıkıtılarının ayrıca prosesin kendisinin kritik kalite parametrelerinin off-line ya da at-line analizler yerine in-line, on-line ya da temassız olarak zamana bağlı analiz etmenin bir yoludur. Sıcaklık, pH, çözünmüş oksijen (DO), köpük seviyesi, çıkış gazı konsantrasyonları, hücre konsantrasyonu gibi değişkenler biyoproseslerde en yaygın olarak ölçülen kalite kontrol parametreleridir. Bu geleneksel ölçüm yöntemleri genelde elektrokimyasal sensörlerden oluşur. Ancak günümüzde spektroskopi temelli teknolojilerin gelişimiyle biyoproseslerde yakın kızılötesi (NIR), UV-Vis gibi (ultraviyole-görünür ışık bölgesi) farklı spektroskopik analizörlerin de kullanımına başlanmıştır. Buna rağmen bu teknolojiler halen daha biyoprosesler için önemli bütün kritik kontrol parametrelerine hitap etmemekte ve bu durum bazı parametreler için off-line analizleri kaçınılmaz kılmaktadır.
Bu tez kapsamında farklı endüstrilerde halihazırda kullanılan RGB renk sensörü ve bir proses viskozimetresinin biyoproseslerde alternatif bir PAT aracı olarak kullanılma potansiyeli araştırılmıştır ve yeni bir ölçüm yöntemi geliştirilmiştir. RGB renk sensörü ile yapılan çalışmalarda, RGB sensörü ile hücre konsantrasyonu değişimi arasındaki ve aynı zamanda biyoproseslerde yaygın olarak kullanılan bir pH indikatör olan fenol kırmızısı içeren sıvılarda RGB sensörü değerleri ile pH arasındaki ilişki incelenmiştir. RGB sensörü ile hücre konsantrasyonu değişiminin incelendiği çalışmalar ön denemeler ve biyoreaktör
x
denemeleri olarak 2 aşamada gerçekleştirilmiştir. Ön denemelerde Saccharomyces cerevisiae, Phaedactylum tricornutum, Chlorella Vulgaris, Stichococcus bacillaris, Ettlia carotinosa, Porphyridium cruentum oganizmaları kullanılmış ve distile su içerisindeki konsantrasyonları bilinen miktarda arttırılarak eş zamanlı ölçüm yapılan RGB sensörünün verileri kaydedilmiştir. Biyoreaktör denemeleri aşamasında Saccharomyces cerevisiae (maya), Scenedesmus obliquus (mikroalg), Bacillus sp (bakteri) mikroorganizmalarının biyoreaktörde üretimi gerçekleştirilmiş üretim boyunca RGB renk sensörü ile yapılan ölçümler ile belirli zamanlarda alınan örneklerin spektrofotometrede gerçekleştirilen optik yoğunluk (OD) ölçümleri arasındaki veriler arasındaki ilişki analiz edilmiştir.
Proses viskozimetresi ile yapılan çalışmalarda ise Saccharomyces cerevisiae, Schizochytrium sp. ve Galdieria sp. mikroorganizmaları kullanılmıştır. Bir sıvı içerisinde hücre konsantrasyonları manuel olarak bilinen miktarlarda arttırılmış ve viskozite değerlerinin değişimleri kaydedilmiştir.
Regresyon analizinde elde edilen R2 değerleri; RGB sensörü ve hücre konsantrasyonu değişimi için 0,96 ila 0,99 arasında, RGB sensörü değerleri ile pH değerleri arasında 0,969 olarak ve hücre konsantrasyonu değişimi ile proses viskozimetresi değerleri arasındaki ilişki için ise 0,976 ila 0,989 aralığında bulunmuştur. Bu sonuçlar, nispeten ekonomik kategoride olan bir RGB sensörünün ayrıca değişik endüstrilerde ağırlıklı olarak yakın zamanda kullanılmaya başlanan proses viskozimetrelerinin farklı mikroorganizmaların kullanıldığı, farklı biyoproseslerde çeşitli kalite parametrelerinin izlenmesinde ve kontrolünde kullanabilecek olan potansiyel bir PAT aracı olduğunu göstermektedir.

Abstract:
Process Analytical Technolgy (PAT) is a way for real-time analysis of raw materials, inputs and outputs of processes and processes as in-line, online or non-invasive instead of off-line or at-line analysis to ensure the final product quality.
Temperature, pH, dissolved oxygen, foam level, vent gas concentrations and cell concentration, etc. are the most common measuring quality control parameters in bioprocesses. These conventional methods mostly include electrochemical sensors. However, varying spectroscopic analyzers such as near infra-red (NIR), UV-Visible are currently started to use in bioprocesses by developments in spectroscopy-based technologies. Nevertheless, these technologies are not able to meet the requirement of analysis of all quality control parameters of bioprocesses yet and off-line analyses are inevitable for some parameters.
In this thesis, the potential of using as an alternative PAT tool of an RGB color sensor and a process viscometer which have been currently using in many different production industries have been investigated and a new process monitoring method has developed. In the studies conducted with RGB color sensor, the correlation between RGB sensor and cell concentration change was examined and also the correlation between RGB sensor values and pH in liquids containing phenol red, which is a widely used pH indicator in bioprocesses, were investigated. The study conducted with correlation between RGB color sensor and cell concentration has been constructed as two stages: Preliminary experiments and bioreactor experiments. The microorganism used in preliminary experiments are Saccharomyces cerevisiae, Phaedactylum tricornutum, Chlorella Vulgaris, Stichococcus bacillaris, Ettlia carotinosa, Porphyridium cruentum. To simulate any increase in cell concentration, these concentrated cell solutions were added into the flask containing distilled water intermittently drop by drop with a micropipette and RGB values were recorded. During bioreactor experiments, Saccharomyces cerevisiae, Scenedesmus obliquus, Bacillus sp. were cultivated in the bioreactor and the correlation between optical density values which were measured spectrophotometrically of taken samples and changing on RGB values was analyzed.
In studies conducted with process viscometers, microorganisms of Saccharomyces cerevisiae, Schizochytrium sp. and Galdieria sp. were used. The cell concentrations in a liquid were manually increased by known amounts and the changes in the values of the process viscometer were recorded.
The R2 values obtained in the regression analysis were found between 0.96 and 0.99 for RGB sensor and cell concentration change, 0.976 to 0.989 for RGB sensor and pH values, and 0.976 to 0.989 for the relationship between cell concentration change and process viscometer values.
These results showed that an RGB sensor which is thought a relatively cost-effective instrument and process viscometer which has been recently started to use frequently in the industries are also the potential PAT tools that can be used in the monitoring and control of various quality parameters in different bioprocesses using different microorganisms.