Mit dem Echtzeit-Massenspektrometer ist es erstmals möglich, bis zu 30 Bestandteile gleichzeitig aus der Gasphase und einer Flüssigkeit zu analysieren. Entwickelt wurde es von unserem Team am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB gemeinsam mit den Kollegen vom Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT. Das empfindliche Messsystem eignet sich auch für die automatisierte Überwachung und Steuerung von chemischen Reaktionen und biotechnologischen Prozessen.
Hintergrund: Für die Überwachung von Herstellungsverfahren ist der automatisierte Nachweis von Produkten oder Nebenprodukten direkt im Prozess nicht mehr wegzudenken. In diesem Zusammenhang ist die Massenspektrometrie ein schnelles und selektives Verfahren, um Verbindungen in technischen, chemischen und biotechnischen Anwendungen sehr empfindlich und gleichzeitig über einen extrem großen Messbereich zu analysieren. Neben der Identifizierung von Verbindungen ist es mit dieser Methode auch möglich, Ionenströme quantitativ auszuwerten. Über eine integrierte Datenauswertung können so Stoffkonzentrationen ermittelt und Konzentrationsänderungen erfasst werden, beispielsweise bei chemischen oder biochemischen Reaktionen.
Bisher war in der Prozess-Massenspektrometrie der Nachweis allerdings auf Verbindungen aus der Gasphase beschränkt. Mit dem neu entwickelten Massenspektrometer können nun sowohl Gase als auch Flüssigkeiten überwacht werden.
Neue Membran-Einlässe und Messfühler
Kernstück des neuartigen, patentierten Messsystems foxySPEC ist ein modifizierter Einlass zur Analyseeinheit, mit dem auch Komponenten aus der Flüssigphase analysiert werden können. An diesem als Bypass angelegten Einlass ist eine mikroporöse Membran angebracht. Angetrieben durch den Unterdruck auf der Permeatseite verdampfen flüchtige Substanzen aus der flüssigen Probe und passieren die Membran. Für polare, wässrige Lösungen ist die Membran dagegen undurchlässig.
Mit diesem kompakten Massenspektrometer können bis zu 30 Komponenten gleichzeitig in der Gasphase und einer Flüssigkeit analysiert werden. © Fraunhofer IGB
Darüber hinaus wird mit einem neu entwickelten Messfühler sogar die In-situ-Analyse von Flüssigkeiten, beispielsweise in Fermentern bei biotechnologischen Herstellungsprozessen möglich. In diesem Fall befindet sich die Membran, in den Messfühler integriert, direkt im Inneren des zu überwachenden Reaktors. Aufgrund des physikalischen Phasentransfers in der chemisch inerten Membran zeigen beide Membran-Einlasssysteme keine Querempfindlichkeit und sind sehr langzeitstabil. Die neuen Membran-Einlässe sind zusätzlich zu herkömmlichen Gaseinlässen installiert.
Über eine Steuerungseinheit kann ausgewählt werden, welche Probe analysiert wird. Die von uns entwickelte Siemens-Programmierung erlaubt, die Probenführung über entsprechende Ventile innerhalb von Sekunden beliebig zwischen Gas-, Flüssig- und In-situ-Analyse umzuschalten und liefert damit Ergebnisse in Echtzeit.
Vielfältige Einsatzgebiete
Das Echtzeit-Massenspektrometer ist für den vielfältigen Einsatz in Chemie und Biotechnologie, Pharmazie, Umweltanalyse und Lebensmittelherstellung geeignet und soll branchenspezifisch weiterentwickelt werden. Die niedrige Nachweisgrenze, die Möglichkeit mehrere Komponenten gleichzeitig zu messen und die hohe Geschwindigkeit, mit der Daten erzeugt werden, bieten ideale Voraussetzungen, um Prozesse durch kontinuierliche Überwachung effizienter zu gestalten.
Derzeit suchen wir Distributionspartner, die foxySPEC als Teil ihres eigenen Systems – in einer sogenannten OEM-Version (Original Equipment Manufacturer) – vertreiben. Ab Oktober 2018 soll foxySPEC auf dem Markt erhältlich sein.