Improving the corn to ethanol fermentation process with near-infrared spectroscopy (NIRS)

Technické články | 2021 | MetrohmInstrumentace
NIR Spektroskopie
Zaměření
Potraviny a zemědělství
Výrobce
Metrohm

Význam tématu


Monitorování fermentace kukuřice na bioetanol je klíčové pro optimalizaci výroby, snižování nákladů a zvyšování kapacity provozu. Tradiční metody jsou časově náročné a omezují rychlou reakci na odchylky procesu. Blízká infračervená spektroskopie (NIRS) nabízí rychlé, nedestruktivní a spolehlivé stanovení hlavních parametrů fermentace, což přispívá k vyšší efektivitě a konkurenceschopnosti výrobců bioetanolu.

Cíle a přehled studie


Cílem bílého paperu je demonstrovat, jak NIRS dokáže nahradit běžné laboratorní analýzy (refraktometrie, pH, HPLC, iontová chromatografie, Karl Fischer titrace) a zkrátit dobu analýzy vzorků fermentujícího kukuřičného škrobu z přibližně 60 minut na pět minut. Autoři ukazují, že díky tomuto zrychlení lze navýšit počet šarží až o 10 %.

Použitá metodika a instrumentace


Tradiční metody měření:
  • Rozpuštěné pevné látky (refraktometr, 3–5 min),
  • pH (pH metr, 3–5 min),
  • Nerozpuštěné pevné látky (infračervená váha, 15–20 min),
  • Etanol, cukerné profily, glycerol (HPLC, 30–45 min),
  • Kyseliny mléčná a octová (iontová chromatografie, 30–45 min),
  • Obsah vody (Karl Fischer titrace, 5–10 min).

Metoda NIRS:
  • DS2500 Solid Analyzer s Vision Air software a předkalibracemi pro monitorování fermentace (etanol, Brix, celkové cukry, glukóza, DP2–DP4+, glycerol, kyseliny),
  • cloudové řešení Vision Air Server pro vzdálenou optimalizaci a aktualizaci modelů v reálném čase.


Hlavní výsledky a diskuse


NIRS zkracuje dobu analýzy jednoho vzorku z ~60 na <5 minut a umožňuje časté opakování měření v průběhu fermentace. Umožňuje včasné odhalení kontaminace (vyšší hladiny kyselin) nebo stresu kvasinek (nárůst glycerolu) a rychlou intervenci (úprava enzymů, dávka antibiotik). Celková doba fermentace se díky rychlejším rozhodnutím zkrátila z ~62 na ~56 hodin, což při ročním provozu znamená o 13 šarží více.

Přínosy a praktické využití metody


  • Zvýšení roční kapacity výroby až o 10 % díky zkrácení doby fermentace a včasné detekci problémů,
  • Snížení nákladů na pracovní sílu, spotřební materiál a vybavení,
  • Kontinuální monitoring zaručuje stabilnější kvalitu produktu,
  • Rozšíření NIRS pro kontrolu vedlejších produktů (DDGS, kukuřičný olej) a optimalizaci sušení a odpařování.


Budoucí trendy a možnosti využití


Cloudově podporované aktualizace NIR modelů umožňují rychlé nasazení metody bez rozsáhlé lokální kalibrace a kontinuální zlepšování přesnosti. Dále se předpokládá integrace výsledků NIRS do digitálních řídicích systémů pro plně automatizovanou optimalizaci celého provozu na bioetanol.

Závěr


Blízká infračervená spektroskopie představuje efektivní nástroj pro rychlé a přesné sledování fermentačního procesu kukuřice na bioetanol. Nasazení NIRS vede k významným časovým úsporám, snížení provozních nákladů a zvýšení výrobní kapacity, přičemž cloudové řešení usnadňuje dlouhodobou správu a optimalizaci metod.

Reference


  1. Renewable Fuels Association. Essential Energy: 2021 Ethanol Industry Outlook. Washington, DC: 2021.
  2. National Renewable Energy Laboratory. Determining the Cost of Producing Ethanol from Corn Starch and Lignocellulosic Feedstocks. Golden, Colorado, USA: 2000.
  3. Metrohm AG. Simplifying quality control using Near-Infrared Spectroscopy. Herisau, Switzerland: 2018.
  4. Ingledew WM. The Biochemistry of Alcohol Production. In: The Alcohol Textbook. Lyons TP, Kelsall DR, Murtagh JE, eds. Nottingham University Press; 1995:55–79.

Obsah byl automaticky vytvořen z originálního PDF dokumentu pomocí AI a může obsahovat nepřesnosti.

PDF verze ke stažení a čtení
 

Podobná PDF

Inline monitoring of fermentation processes
Quality Control of fermentation processes
Bioalcohol and Biodiesel Application Notebook
Bioalcohol and Biodiesel Application Notebook
2015|Thermo Fisher Scientific|Příručky
Moisture and protein content in corn starch with NIR spectroscopy