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

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.