Quality Control of fermentation processes

Význam tématu

Fermentace škrobových surovin na bioetanol je tradiční, ale stále klíčová technologie v biotechnologickém průmyslu. Zajišťuje přeměnu obnovitelných surovin na alternativní palivo, čímž přispívá k energetické bezpečnosti a snižování emisí skleníkových plynů. Statisticky kolísající kvalita substrátu vyžaduje průběžný monitoring a rychlou analýzu klíčových parametrů.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem aplikace bylo ověřit použitelnost NIR spektroskopie pro simultánní stanovení více parametrů fermentačního kvasného mosu do jedné minuty. Studie zahrnovala 206 vzorků kvasného roztoku (117 pro Brix index), měřených na přístroji DS2500 Solid Analyzer. Hlavním záměrem bylo vyvinout predikční modely pro obsah ethanolu, cukrů, Brix, kyseliny mléčné, pH a sušinu.

Použitá metodika a instrumentace

Analýza probíhala v reflektivním režimu kvůli přítomnosti pevných částic. Vzorky se měřily ve velkém kalíšku za rotace, aby se minimalizovala inhomogenita. Spektrální data v rozsahu 400–2500 nm byla pořízena na:

• DS2500 Solid Analyzer (Metrohm 2.922.0010)
• DS2500 Large Sample Cup pro prášky a granuláty (Metrohm 6.7402.050)
• Software Vision Air Complete 2.0 pro sběr dat a tvorbu kalibračních modelů (Metrohm 6.6072.208)

Hlavní výsledky a diskuse

Predikční modely vykazovaly vysokou korelaci se srovnávacími metodami:

• Ethanol: R2 = 0,998; SECV = 0,22 %
• Sušina: R2 = 0,982; SECV = 1,06 %
• Brix index: R2 = 0,987; SECV = 0,87
• Celkové cukry: R2 = 0,981; SECV = 1,30 %
• Glukóza: R2 = 0,920; SECV = 0,86 %
• Kyselina mléčná: R2 = 0,722; SECV = 0,10 %
• pH: R2 = 0,734; SECV = 0,19
• Maltotrioza: R2 = 0,928; SECV = 0,42 %
• Dextriny: R2 = 0,964; SECV = 0,68 %

Modely pro ethanol, sušinu a Brix dosahují výkonnosti dostatečné pro rutinní kontrolu, u některých parametrů (kyselina mléčná, pH) je třeba další vylepšení kalibrace.

Přínosy a praktické využití metody

NIR spektroskopie umožňuje:

• Výsledek do jedné minuty oproti desítkám minut HPLC a dalších metod
• Současné stanovení více analytů jedním měřením
• Bezodpadovou metodu bez chemikálií
• Jednoduchý provoz v laboratorním i výrobním prostředí

Budoucí trendy a možnosti využití

Integrace NIR spektroskopie s automatizovaným odběrem vzorků a řízením procesů v reálném čase výrazně posílí efektivitu fermentace. Další vývoj kalibrací pomocí strojového učení a rozšíření na jiné substráty (řepa, zbytky biomasy) zvýší univerzálnost metody.

Závěr

Aplikace NIR spektroskopie na DS2500 Solid Analyzer prokázala vysokou spolehlivost a efektivitu stanovení klíčových parametrů fermentačního procesu. Metoda nabízí výrazné zkrácení doby analýzy a možnost kontinuálního monitoringu v průmyslovém provozu.

Reference

• Metrohm AG: Aplikace AN-NIR-093 „Quality Control of Fermentation Processes“, 2023.