Быстрой лазерный Зондирование Метод Облегчает неинвазивным и бесконтактный Определение Листа теплофизических свойств
Summary
A method was developed to determine the specific heat capacity and thermal conductivity of leaf tissue by non-invasive, contact-free near infrared laser probing, which requires less than 1 min per sample.
Abstract
Растения могут производить ценные вещества, такие как вторичные метаболиты и рекомбинантных белков. Очистка последнего из растительной биомассы может быть упрощен путем термической обработки (бланширования). Побледнение устройство может быть сконструирована более точно , если тепловые свойства листьев известны в деталях, то есть, удельной теплоемкости и теплопроводности. Измерение этих свойств занимает много времени и трудоемким, и, как правило, требует инвазивных методов, которые контактируют образец непосредственно. Это может уменьшить выход продукта и могут быть несовместимы с требованиями защитной оболочки, например, в контексте надлежащей производственной практики. Для решения этих проблем, неинвазивный, бесконтактный метод был разработан, определяющий удельную теплоемкость и теплопроводность интактного листа растения в течение одной минуты. Способ включает в себя применение короткого лазерного импульса определенной длины и интенсивности на небольшой площадилист образца, в результате чего повышение температуры, которая измеряется с использованием ближнего инфракрасного датчика. Повышение температуры в сочетании с известными свойствами листа (толщины и плотности) для определения удельной теплоемкости. Теплопроводность затем вычисляется на основе профиля последующего спада температуры, принимая теплового излучения и конвективного теплопереноса в расчет. Соответствующие расчеты и критические аспекты обработки проб обсуждаются.
Introduction
Обработка крупномасштабный биологических материалов часто требует стадии термообработки, такие как пастеризация. Оборудование для таких процессов могут быть разработаны более точно , если тепловые свойства биологических материалов , хорошо охарактеризованы, в том числе удельной теплоемкости (с р, з) и теплопроводности (X). Эти параметры могут быть легко определены для жидкостей, суспензий и гомогенатах калориметрии 1. Тем не менее, измерение таких параметров , в твердых образцах может быть трудоемким и часто требует непосредственного контакта с образцом или даже его разрушения 2. Например, методы фототермические требуют непосредственного контакта между образцом и детектором 3. Такие ограничения являются приемлемыми в процессе обработки пищевых продуктов, но не совместимы с жестко регламентированных процессов , таких как производство биофармацевтических белков в растениях в контексте надлежащей производственной практики 4. яп такой контекст, повторяется (например, еженедельно) мониторинг тепловых свойств может потребоваться в течение периода роста семи недель для отдельных растений в качестве инструмента контроля качества. Если такой контроль будет требовать и потреблять лист для каждого измерения, то не было бы никакой биомассы осталось обработать во время сбора урожая.
Кроме того, использование только части листа, а не приведет к ранении на завод и увеличить риск некроза или патогена инфекции, снова снижается выход продукта. Вероятность возбудителя инфекции также может возрасти, если метод с прямым контактом с образцом будет использоваться, вызывая риск того, что вся партия растений могут быть инфицированы в результате контакта с загрязненным сенсорного устройства. Подобные аспекты должны быть рассмотрены для мониторинга завода подчеркивает , как засухи, например, в экофизиологических контексте. Например, потеря воды часто контролируется изменением свежей биомассы, что требует инвазивных TREatment растений , находящихся под следствием 5, например, рассекая лист. Вместо этого определения удельной теплоемкости, которая зависит от содержания воды в образце, в неинвазивным способом, как описано здесь, может быть использован в качестве суррогатного параметра для гидрацию растений. В обоих сценариях (фармацевтического производства и Экофизиология), искусственные напряжения, вызванные разрушительными или инвазивных методов измерения были бы вредны, поскольку они могут исказить экспериментальные данные. Таким образом, ранее сообщалось о способах Flash 6 или размещение образцов между серебряными пластинами 7 непригодны для таких процессов и экспериментов , поскольку они либо требуют непосредственного контакта с образцом или разрушительны. Параметры с р, s и λ должно быть определено с целью разработки технологического оборудования для бланширования шаг , который может упростить очистку продукта и тем самым снизить затраты на производство 8-10. Оба ср, s и λ могут теперь быть быстро определяется бесконтактным неразрушающим ближней инфракрасной области (БИК) лазерного зондирования последовательным и воспроизводимым способом 11 , и этот новый метод будет более подробно описано ниже. Результаты , полученные с помощью этого метода были успешно использованы для моделирования переноса тепла в листья табака 12, что позволяет конструкцию соответствующего технологического оборудования и выбор соответствующих параметров , таких как температура бланшировки.
Метод прост в настройке (Рисунок 1) и имеет две фазы, измерения и анализа, каждый из которых состоит из двух основных этапов. В измерении фазы, образец листа сначала локально нагревается коротким лазерным импульсом, а максимальная температура образца регистрируется. Профиль температуры образца затем записывается на протяжении 50-х годов. На этапе анализа, свойства листа, такие как плотность (легко и точно определяется пикнометрической measuremлор) в сочетании с максимальной температурой образца для расчета С р, с. На втором этапе, температурный профиль лист используется в качестве входных данных для уравнения баланса энергии, принимая проводимости, конвекции и излучения во внимание, чтобы вычислить Л.
Подробные инструкции шаг за шагом приведены в разделе протокола, расширение на содержание сопутствующего видео. Типичные измерения затем приведены в разделе результатов. И, наконец, преимущества и ограничения метода, выделены в разделе обсуждения наряду с потенциальными улучшений и дальнейшего применения.
Рисунок 1: Прибор используется для определения тепловых свойств листа. A. Фотография измерительного устройства используется для определения удельной теплоемкости и теплопроводности леAves. Периферийные устройства (компьютеры, осциллографов) не показаны. B. Схематическое изображение измерительного устройства. Лазер и подключенное оборудование, выделены красным цветом, детектор NIR для измерения температуры показана фиолетовым цветом, образец лист зеленый и датчик фотодиод мощности синего цвета. C. Нанесение элементов измерительной установки с тем же цветовым кодом, как и в B. Строка размер показывает 0,1 м. D. Снимок экрана, иллюстрирующий типичные элементы программного обеспечения управления лазером. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Protocol
Representative Results
Discussion
Бесконтактный, неразрушающий метод измерения описанный выше , может быть использован для определения С р, S и ʎ в одновременном и воспроизводимым образом. Расчет ʎ, в частности, зависит от нескольких параметров, которые чувствительны к ошибкам. Тем не менее, влияние этих ошибо…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors are grateful to Dr. Thomas Rademacher and Ibrahim Al Amedi for cultivating the plants used in this study. We would like to thank Dr. Richard M. Twyman for his assistance with editing the manuscript. This work was in part funded by the European Research Council Advanced Grant “Future-Pharma”, proposal number 269110, the Fraunhofer Zukunftsstiftung (Future Foundation), the Fraunhofer-Gesellschaft Internal Programs under Grant No. Attract 125-600164.
Materials
| 1" tube | Thorlabs | SM1L10E | Tube for fiber holder |
| Agarose | Sigma Aldrich | A0701 | Agarose |
| Bi-Convex lense f=25.4 | Thorlabs | LB1761 | Lense |
| Digital Handheld Optical Power and Energy Meter Console | Thorlabs | PM100D | Console for thermal surface absorber sensor |
| Digital Phosphor Oscilloscope | Tektronix | DPO7104 | Oscilloscope |
| DMR light microscope | Leica | n.a. | Light microscope |
| Falcon 50mL Conical Centrifuge Tubes | Fisher Scientific | 14-432-2 | Pycnometer |
| Ferty 2 Mega | Kammlott | 5.220072 | Fertilizer |
| Fiber holder | Thorlabs | Fiber holder | |
| Forma -86C ULT freezer | ThermoFisher | 88400 | Freezer |
| Greenhouse | n.a. | n.a. | For plant cultivation |
| Grodan Rockwool Cubes 10x10cm | Grodan | 102446 | Rockwool block |
| Infrared Detector Optris CT | Optris | OPTCTLT15 | Infrared detector |
| Infrared Detector Software Compact Connect | Optris | n.a. | Control software for infrared detector |
| Lambda 1050 UV/Vis spectrophotometer | PerkinElmer | L1050 | UV/VIS Spectrophotometer |
| Laser 400μm, 1550nm Conduction Cooled Single Bar Fiber Coupled Module | DILAS | M1F-SS2.1 | Laser |
| Laser cover | Amtron | LM200 | Laser Cover |
| Laser Driver | Amtron | CS 408 | Laser Driver |
| Osram cool white 36 W | Osram | 4930440 | Light source |
| Photodiode sensor | Thorlabs | PDA20H-EC | Power sensor for transmission measurements |
| Precision weight Ohaus Analytical Plus | Ohaus | 80251552 | Precision weight |
| Sample frame | Fraunhofer ILT | n.a. | Fixation of the leaf sample |
| Software Pyro Control | Amtron | n.a. | Laser Power Control Software |
| Stainless-steel-holder | n.a. | n.a. | Holder for measurement set-up |
| Teflon plates 2cm | Fraunhofer ILT | n.a. | Teflon attenuation |
| Thermal surface absorber Power sensor | Thorlabs | S314C | Sensor for laser power measurements |
| Vibratome | Leica | 1491200S001 | Vibratome |
| Zoc/Pro 6.51 | EmTec Innovative Software | n.a. | Laser Control Software |
References
- Wilhelm, E. . Heat Capacities: Liquids, Solutions and Vapours. , 516 (2010).
- Costa, J. M., Grant, O. M., Chaves, M. M. Thermography to explore plant-environment interactions. J. Exp. Bot. 64, 3937-3949 (2013).
- Jayalakshmy, M. S., Philip, J. Thermophysical Properties of Plant Leaves and Their Influence on the Environment Temperature. International Journal of Thermophysics. 31, 2295-2304 (2010).
- Buyel, J. F. Process development strategies in plant molecular farming. Curr. Pharm. Biotechnol. 16, 966-982 (2015).
- Schuster, A. C., et al. Effectiveness of cuticular transpiration barriers in a desert plant at controlling water loss at high temperatures. AoB PLANTS. 8, (2016).
- Parker, W. J., Jenkins, R. J., Abbott, G. L., Butler, C. P. Flash Method of Determining Thermal Diffusivity, Heat Capacity, and Thermal Conductivity. J Appl Phys. 32, 1679-1684 (1961).
- Hays, R. L. The thermal conductivity of leaves. Planta. 125, 281-287 (1975).
- Menzel, S., et al. Optimized blanching reduces the host cell protein content and substantially enhances the recovery and stability of two plant derived malaria vaccine candidates. Front. Plant Sci. , (2015).
- Buyel, J. F., Hubbuch, J., Fischer, R. Blanching intact leaves or heat precipitation in an agitated vessel or heat exchanger removes host cell proteins from tobacco extracts. J. Vis. Exp. , (2015).
- Beiss, V., et al. Heat-precipitation allows the efficient purification of a functional plant-derived malaria transmission-blocking vaccine candidate fusion protein. Biotechnol. Bioeng. 112, 1297-1305 (2015).
- Buyel, J. F., Gruchow, H. M., Tödter, N., Wehner, M. Determination of the thermal properties of leaves by non-invasive contact free laser probing. J. Biotechnol. 217, 100-108 (2016).
- Buyel, J. F. Numeric simulation can be used to predict heat transfer during the blanching of leaves and intact. Biochem. Eng. J. , (2015).
- Hedlund, H., Johansson, P. Heat capacity of birch determined by calorimetry: implications for the state of water in plants. Thermochim Acta. 349, 79-88 (2000).
- Chandrakanthi, M., Mehrotra, A. K., Hettiaratchi, J. P. A. Thermal conductivity of leaf compost used in biofilters: An experimental and theoretical investigation. Environ. Pollut. 136, 167-174 (2005).
- Larcher, W. . Physiological Plant Ecology: Ecophysiology and Stress Physiology of Functional Groups. , (2003).
- Cowen, R. A gamma-ray burst’s enduring fireball. Science News. 152, 197 (1997).
- Jones, H. G., et al. Thermal infrared imaging of crop canopies for the remote diagnosis and quantification of plant responses to water stress in the field. Funct. Plant Biol. 36, 978-989 (2009).
- Defraeye, T., Verboven, P., Ho, Q. T., Nicolai, B. Convective heat and mass exchange predictions at leaf surfaces: Applications, methods and perspectives. Comput. Electron. Agric. 96, 180-201 (2013).
- Arndt, S. K., Irawan, A., Sanders, G. J. Apoplastic water fraction and rehydration techniques introduce significant errors in measurements of relative water content and osmotic potential in plant leaves. Physiol. Plant. 155, 355-368 (2015).
- Jones, H. G., Schofield, P. Thermal and other remote sensing of plant stress. General and Applied Plant Physiology. 34, 19-32 (2008).
- Jones, H. G., Archer, N., Rotenberg, E., Casa, R. Radiation measurement for plant ecophysiology. J. Exp. Bot. 54, 879-889 (2003).
- Dupont, C., Chiriac, R., Gauthier, G., Toche, F. Heat capacity measurements of various biomass types and pyrolysis residues. Fuel. 115, 644-651 (2014).
- Chaerle, L., et al. Multi-sensor plant imaging: Towards the development of a stress-catalogue. Biotechnol. J. 4, 1152-1167 (2009).
- Hackl, H., Baresel, J. P., Mistele, B., Hu, Y., Schmidhalter, U. A Comparison of Plant Temperatures as Measured by Thermal Imaging and Infrared Thermometry. J. Agron. Crop. Sci. , 415-429 (2012).
- Yuan, L., et al. Spectral analysis of winter wheat leaves for detection and differentiation of diseases and insects. Field Crops Res. 156, 199-207 (2014).
