Inline monitoring of fermentation processes

Význam tématu

Destilát bioethanol se prosazuje jako udržitelná alternativa k fosilním palivům. Kvalita výroby závisí na kontinuální kontrole procesu fermentace. Inline monitorování metodou NIR spektroskopie umožňuje optimalizovat průběh fermentace v reálném čase a zvyšovat výtěžnost i provozní efektivitu.

Cíle a přehled studie

Cílem Application Note AN-PAN-1057 je ukázat, jak pomocí bezreagenciové NIR spektroskopie současně sledovat více klíčových parametrů v průběhu výroby bioethanolu. Studie demonstruje nasazení inline měření uvnitř fermentačního tanku a vytvoření kalibračních modelů porovnáním s referenčními laboratorními metodami.

Použitá metodika a instrumentace

Pro inline měření byl použit 2060 The NIR Analyzer od Metrohm Process Analytics vybaven ponornou mikrointerakční sondou odolnou proti pevným částicím a pěně. Kalibrace spektrálních dat proběhla vůči metodám HPLC a Karl Fischer titrace, což zajistilo přesnost kvantitativních výsledků.

Hlavní výsledky a diskuse

Inline NIRS umožnilo sledovat obsah ethanolu, glukózy, maltosy, oligomerních cukrů DP3 a DP4, glycerolu, kyselin (octové, mléčné), vlhkosti a nerozpuštěných látek v reálném čase. Trendové křivky ukázaly, že úpravy doby fermentace, rychlosti míchání a teploty vedou k optimalizaci konverze škrobu na ethanol a vyrovnání sezónních odchylek suroviny. Naměřené hodnoty se shodovaly s výsledky referenčních metod a doba odezvy byla kratší než 30 sekund.

Přínosy a praktické využití metody

• Okamžitá informace o stavu fermentace v intervalu do 30 sekund
• Zvýšení produktivity, reprodukovatelnosti a konečného výtěžku
• Snížení spotřeby enzymů a kvasnic díky přesné regulaci dávkování
• Eliminace zdržení a chyb spojených s offline odběry vzorků

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekává se rozšíření inline NIR spektroskopie na širší spektrum biotechnologických fermentací a automatizovanou regulaci procesu pomocí prediktivních modelů strojového učení. Integrace s digitalizovanými výrobními linkami a IoT přinese další úspory a zvýšení kvality.

Závěr

Inline NIR spektroskopie poskytuje spolehlivý a rychlý nástroj pro komplexní sledování fermentačního procesu při výrobě bioethanolu. Implementace této technologie přináší výrazné zkrácení reakční doby, zvýšení výtěžnosti a snížení provozních nákladů.

Reference

1. Statista Global ethanol production for fuel use 2022
2. Chang Y-H et al. Enhancement of the efficiency of bioethanol production by Saccharomyces cerevisiae, Fermentation 2018
3. Devantier R, Pedersen S, Olsson L. Characterization of very high gravity ethanol fermentation of corn mash, Appl Microbiol Biotechnol 2005