CZ308369B6 - Způsob měření plynných produktů uvolňovaných při biodegradaci biologicky rozložitelných polymerních materiálů a přístroj pro provádění tohoto způsobu - Google Patents

Abstract

Způsob měření plynných produktů, které se uvolňují při biodegradaci biologicky rozložitelných polymerních materiálů, ve směsi se vzduchem, se provádí tak, že do reaktoru se naváží substrát, výhodně půda či kompost, a zkoumaný vzorek, který se podrobí rozkladu, následně se opakovaně měří signál stanovovaného plynu postupně uvolňovaného rozkladem zkoumaného vzorku v reaktoru hmotnostním analyzátorem plynů metodou hmotnostní spektrometrie, přičemž se také měří signál plynu-vnitřního standardu, kterým je ve vzduchu přirozeně se vyskytující argon a jehož koncentrace ve vzduchu je stálá. Koncentrace uvolňovaného plynu se určí na základě souběžně za stejných podmínek provedené kalibrace s definovanými koncentracemi shodného plynu. Přístroj pro provádění způsobu sestává z reaktoru (1) opatřeného hrdlem (2) s plynotěsným uzávěrem (3) vybaveným septem (4), přičemž akční prostor (5) reaktoru obsahuje komponenty určené k rozkladnému procesu a hrdelní prostor (6) reaktoru obsahuje plynné produkty procesu, dále je reaktor (1) vybaven detekčním systémem (7) sestávajícím z hmotnostního detektoru (8), přívodní kapiláry (9) a duté jehly (10), která propojuje detekční systém (7) s hrdelním prostorem (6) reaktoru skrze septum (4).

Description

Způsob měření plynných produktů uvolňovaných při biodegradaci biologicky rozložitelných polymemích materiálů a přístroj pro provádění tohoto způsobu

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu měření plynných produktů uvolňovaných v průběhu degradačních procesů a je možno jej využít především pro stanovení biodegradability biologicky rozložitelných polymemích materiálů. Vynález se dále týká přístroje pro provádění tohoto způsobu.

Dosavadní stav techniky

Stanovení plynných produktů rozkladných procesů je klasických přístupem ke sledování a kvantifikaci především biologických degradačních procesů. Sledovanými plynnými produkty jsou nejčastěji CO2, O2 a CH4. Příklady takových postupů jsou popsány v mezinárodních normách ISO 14855 (2012), ISO 17556 (2019) a dalších. Analytickou koncovkou takových postupů je jímání plynu ve vhodném roztoku a následná titrace, použití průtokoměru a infračerveného detektoru plynů, nebo použití plynové chromatografie. Nedostatky takových postupů lze spatřovat v nutnosti propojení nádob velkým množstvím hadiček, eventuálně nutnost množství mechanických ventilů, s čímž může být spojena vyšší možnost nepřesností vzniklých při úniku sledovaného plynu. Technický systém použitý pro takové měření je také citlivý na poškození a je prostorově náročný. Proto je třeba zde počítat s omezenou možností počtu paralelně měřených vzorků, a především s časovou náročností analytického postupu vedoucího k vyhodnocení procesu při větším množství vzorků.

Úkolem vynálezu tedy je vytvořit metodu a technické prostředky pro její realizaci tak, aby bylo možno provádět stanovení plynných produktů přímo v místě jejich vzniku, bez nutnosti uvedených následných operací.

Podstata vynálezu

K odstranění výše uvedených nedostatků přispívá do značné míry způsob měření plynných produktů uvolňovaných při biodegradaci biologicky rozložitelných polymemích materiálů, podle vynálezu. Podstata vynálezu spočívá v tom, že do reaktoru se naváží substrát, kterým je výhodně půda či kompost, a zkoumaný vzorek, který se podrobí rozkladu; následně se opakovaně měří signál stanovovaného plynu postupně uvolňovaného rozkladem zkoumaného vzorku v reaktoru hmotnostním analyzátorem plynů metodou hmotnostní spektrometrie, přičemž se také měří signál plynu-vnitřního standardu, kterým je ve vzduchu přirozeně se vyskytující argon a jehož koncentrace ve vzduchu je stálá. Koncentrace uvolňovaného plynu se potom určí na základě souběžně za stejných podmínek provedené kalibrace s definovanými koncentracemi shodného plynu.

U způsobu měření plynných produktů uvolňovaných při biodegradaci podle vynálezu je uvolňovaným plynem, jehož obsah se měří, nejčastěji CO2.

Podstatou vynálezu je dále přístroj pro provádění způsobu podle vynálezu, vytvořený na bázi reaktoru opatřeného hrdlem s plynotěsným uzávěrem vybaveným šeptem, přičemž akční prostor reaktoru obsahuje komponenty určené k rozkladnému procesu a hrdelní prostor reaktoru obsahuje plynné produkty procesu, dále je reaktor vybaven detekčním systémem sestávajícím z hmotnostního detektoru, přívodní kapiláry a duté jehly, která propojuje detekční systém s hrdelním prostorem reaktoru skrze septum.

- 1 CZ 308369 B6

Hlavní výhodou způsobu měření plynných produktů, uvolňovaných při biodegradaci, podle vynálezu je podstatné zjednodušení procesu stanovení množství vznikajícího plynu, dané skutečností, že relevantní hodnoty - signál plynu - se měří přímo v prostoru, kde plyn vzniká. Odpadají tedy všechny kroky dosud nutné pro zjišťování množství plynu - jímání plynu ve vhodném roztoku a následná titrace, použití průtokoměru a infračerveného detektoru plynů, nebo použití plynové chromatografíe. Monitorování procesu se nejen zjednodušuje a zkracuje, ale také zpřesňuje vlivem eliminace možných chyb a nepřesností, které dosud mohly vznikat v průběhu složitějšího procesu. Kalibrace, která je nutná pro vyhodnocení naměřených signálů, je pro daný plyn a danou technickou sestavu opakovaně použitelná. Klíčové je použití přirozeně se vyskytujícího se argonu ve vzduchu jako vnitřního standardu, to umožňuje eliminovat chyby, které mohou vznikat při přepočtu signálu hmotnostního detektoru na koncentraci plynu. Výrazně se zvýší také rychlost měření, např. změření jednoho reaktoru pomocí plynové chromatografíe trvá asi 20 minut, změření téhož pomocí hmotnostní spektrometrie asi 20 vteřin.

Z hlediska technického vybavení pro realizaci způsobu měření plynných produktů biodegradace podle vynálezu je významnou předností přístroje k provádění tohoto způsobu rovněž jeho relativní jednoduchost a možnost dosažení přesných výsledků a provádění vyššího počtu měření současně. Tím se zvyšuje efektivita celého procesu a snižuje jeho prostorová náročnost.

Objasnění výkresů

K bližšímu osvětlení podstaty vynálezu slouží na obr. 1 přiloženého výkresu znázorněný příklad konkrétního uskutečnění přístroje k provádění způsobu měření podle vynálezu, a dále popsané příklady způsobu provádění měření.

Přístroj dle obr. 1 sestává z reaktoru 1 opatřeného hrdlem 2 s plynotěsným uzávěrem 3, který je vybaven šeptem 4. Akční prostor 5 reaktoru 1 obsahuje komponenty určené k rozkladnému procesu a hrdelní prostor 6 reaktoru 1 obsahuje plynné produkty procesu. Reaktor 1 je dále vybaven detekčním systémem 7 sestávajícím z hmotnostního detektoru 8, přívodní kapiláry 9 a duté jehly 10, která propojuje detekční systém 7 s hrdelním prostorem 6 reaktoru 1 skrze septum 4.

Příklady uskutečnění vynálezu

Příklad 1

Způsob měření procesu uvolňujícího plyn, zde biodegradace polymemího materiálu PLA (kyseliny polymléčné), se realizoval v (bio)reaktorech, kterými byly skleněné lahve o objemu plynné fáze 580 ml. Reaktory byly nejprve důkladně omyty a usušeny a před použitím sterilizovány v suchu při teplotě 120 °C po dobu 30 minut. Takto sterilizované reaktory byly ihned sterilně uzavřeny a opatřeny septy, která byla sterilizována po dobu 30 minut pod UV lampou. Před vlastní analýzou byly reaktory ochlazeny na laboratorní teplotu. Dále byl do reaktorů navážen biologický materiál - zde půda - a zkoumaný polymemí vzorek, který byl následně podroben biologickému rozkladu.

Měření biodegradace polymemího vzorku probíhalo tak, že obsah CO2 postupně uvolňovaného rozkladem v bioreaktoru se měřil metodou hmotnostní spektrometrie pomocí hmotnostního analyzátoru plynů UGA 300 od výrobce Stanford research systems. Současně se také měřil signál plynu-vnitřního standardu, zde argonu, jehož koncentrace ve vzduchuje stálá. Naměřené hodnoty signálu CO2 byly vztaženy k signálu plynu-vnitřního standardu.

Analogickým postupem se opakovaně měřil v sadě identických reaktorů identickým hmotnostním analyzátorem plynů pro kalibraci signál shodného plynu - CO2 - kvantitativně uvolňovaného

-2 CZ 308369 B6 rozkladem uhličitanu draselného 1M kyselinou chlorovodíkovou. Příslušné navážky uhličitanu draselného byly podrobeny rozkladu vždy působením 10 ml 1M HC1. Takto připravené standardy byly změřeny. Připravené kalibrační standardy měřené v sadě identických reaktorů byly vztaženy k těmto hodnotám koncentrace vzniklého oxidu uhličitého: 0; 0,05; 0,1; 0,2; 0,4; 0,8; 2; 3; 6 a 10%v/v.

Rovněž se změřil signál ve vzduchu přítomného argonu, který byl použit jako vnitřní standard. Obsah Ar v nádobě je v průběhu procesu konstantní a je stejný jako ve vzduchu. Kalibrační křivka potom vznikla jako závislost poměru takto získaného signálu uvolněného CO2 a signálu Ar jako vnitřního standardu na vypočtené koncentraci oxidu uhličitého při stálé koncentraci Ar.

Tím se stanovil vztah pro převod hodnot signálu získaného hmotnostním analyzátorem pro CO2 na hodnoty koncentrace - množství CO2. Tento vztah představovaný kalibrační křivkou následně umožnil převod hodnot signálu CO2 změřeného při procesu biologického rozkladu, resp. jeho poměru k signálu Ar jako vnitřního standardu, na hodnoty skutečného množství uvolněného CO2 Tím byly získány hodnoty monitorující uskutečněný proces biodegradace.

Neprodleně po analýze byly všechny reaktory provzdušněny přečištěným vzduchem vháněným silikonovými trubičkami připojenými k čerpadlům. Plné odstranění CO2 bylo provedeno pomocí série absorbérů s 5M roztokem NaOH, destilovanou vodou a 0,5M roztokem Ba(OH)2, který sloužil jako pojistný absorbér pro případ, že by došlo k vyčerpání roztoku NaOH. Provzdušňování se vždy provádělo po dobu 10 minut a následně byly reaktory umístěny zpět do termostatu.

Průmyslová využitelnost

Způsob měření plynných produktů biologických procesů nalezne uplatnění především ve sférách zkušebnictví, kdy je nutné analyzovat a kvantifikovat biodegradaci polymemích materiálů, nebo biodegradabilitu jiných materiálů látek a přípravků. Je možné rovněž využití pro monitoring plynů při biologických procesech v rámci biotechnologických výrob a pro monitoring složení vzduchu pro kontrolu technologického vzduchu nebo vnitřního a vnějšího prostředí.

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob měření plynných produktů, které se uvolňují při biodegradaci biologicky rozložitelných polymemích materiálů, ve směsi se vzduchem, vyznačující se tím, že do reaktoru se naváží substrát, výhodně půda či kompost, a zkoumaný vzorek, který se podrobí rozkladu, následně se opakovaně měří signál stanovovaného plynu postupně uvolňovaného rozkladem zkoumaného vzorku v reaktoru hmotnostním analyzátorem plynů metodou hmotnostní spektrometrie, přičemž se také měří signál plynu-vnitřního standardu, kterým je ve vzduchu přirozeně se vyskytující argon a jehož koncentrace ve vzduchu je stálá, přičemž koncentrace uvolňovaného plynu se určí na základě souběžně za stejných podmínek provedené kalibrace s definovanými koncentracemi shodného plynu.

2. Způsob měření plynných produktů, které se uvolňují při biodegradaci biologicky rozložitelných polymemích materiálů, podle nároku 1, vyznačující se tím, že uvolňovaným plynem, jehož obsah se měří, je CO2.

3. Přístroj pro provádění způsobu podle nároku 1, vyznačující se tím, že je vytvořen na bázi reaktoru (1) opatřeného hrdlem (2) s plynotěsným uzávěrem (3) vybaveným šeptem (4), přičemž

-3 CZ 308369 B6 akční prostor (5) reaktoru (1) obsahuje komponenty určené k rozkladnému procesu a hrdelní prostor (6) reaktoru (1) obsahuje plynné produkty procesu, dále je reaktor (1) vybaven detekčním systémem (7) sestávajícím z hmotnostního detektoru (8), přívodní kapiláry (9) a duté jehly (10), která propojuje detekční systém (7) s hrdelním prostorem (6) reaktoru (1) skrze septum (4).

Claims (10)

1 výkres

Seznam vztahových značek

1 - reaktor

2 - hrdlo

3 - plynotěsný uzávěr

4 - septum

5 - akční prostor reaktoru

6 - hrdelní prostor reaktoru

7 - detekční systém

8 - hmotnostní detektor

9 - přívodní kapilára

10 - dutá jehla