Inline monitoring of fermentation processes

Význam tématu

Výroba bioethanolu jako náhrady fosilních paliv se stává klíčovou součástí přechodu na obnovitelné zdroje energie. Fermentační procesy, při nichž se cukry přeměňují na etanol, vyžadují přesné sledování řady parametrů. Tradiční offline analýzy jsou časově náročné a náchylné k chybám způsobeným zpožděním vzorkování a přípravou vzorků. Inline monitorování pomocí blízké infračervené spektroskopie (NIRS) umožňuje získat „reálná“ data v časových intervalech řádově desítek sekund, což vede k lepší kontrole, vyšším výtěžkům a efektivitě procesu.

Cíle a přehled studie / článku

Application Note AN-PAN-1057 popisuje implementaci inline NIRS pro sledování fermentačního procesu výroby bioethanolu. Cílem je demonstrovat, jak lze současně kvantifikovat etanol, klíčové cukry (glukózu, maltosu, maltotriozu – DP3, dextrin – DP4) a vedlejší produkty (glycerol, kyselinu mléčnou, kyselinu octovou) přímo v reaktorové nádrži, čímž se dosáhne optimálního řízení procesu a rychlé odezvy na změny podmínek.

Použitá metodika a instrumentace

Metodika je založena na bezreagentní měření NIR záření pomocí ponorné sondy a vláknové optiky. Klíčové komponenty:

• 2060 The NIR Analyzer: procesní spektrometr pro kontinuální sběr dat každých 10–30 s.
• Micro interactance immersion probe: ponorná sonda vhodná pro suspenze s nízkým až středním obsahem pevných částic.
• Multiplexer (volitelně): umožňuje připojení až pěti sond či průtokových buněk pro souběžné měření na více místech procesu.
• Referenční metody (HPLC, titrace Karl Fischer, iontová chromatografie): použity pro kalibraci a validaci NIRS modelů.

Hlavní výsledky a diskuse

Inline NIRS modely pro fermentační proces ukázaly následující schopnosti:

• Kvantifikace etanolu v rozsahu 0–15 % hmotn. s vysokou opakovatelností.
• Simultánní detekce glukózy (0–8 %), maltosy (0–7 %), DP3 a DP4 (0–15 %), glycerolu (0–1 %), kyseliny mléčné (0–0,25 %) a octové (0–0,5 %).
• Reálná data každých 30 s umožňují sledovat dynamiku štěpení škrobu a optimalizovat dávkování enzymů a kvasinek v reálném čase.
• Sledování trendů parametrů (např. průběh etanolu vs. koncentrace pevných látek) pomáhá určovat optimální dobu fermentace a přizpůsobovat teplotu či rychlost míchadla.

Přínosy a praktické využití metody

Inline NIRS poskytuje řadu výhod:

• Rychlá zpětná vazba (řízená automatizace a včasné úpravy procesu).
• Snížení nákladů na reagencie a odběry vzorků.
• Zvýšení produktivity díky zkrácení doby fermentace a více cyklům za den.
• Lepší reprodukovatelnost a spolehlivost díky odpadnutí manuálních kroků (ředění, filtrace, pipetování).

Budoucí trendy a možnosti využití

Další rozvoj inline spektroskopie v biotechnologiích směřuje k:

• Integraci pokročilé chemometrie a strojového učení pro prediktivní řízení fermentace.
• Rozšíření metodiky na jiné bioprodukční procesy (biopolymerace, výroba enzymů, fermentace jiných biopaliv).
• Využití miniaturizovaných a vícekanálových čidel pro současné sledování širšího spektra parametrů.

Závěr

Inline monitoring fermentačních procesů pomocí NIRS a 2060 The NIR Analyzer představuje efektivní řešení pro zvýšení výkonu a kvality výroby bioethanolu. Reálná data v krátkém intervalu umožňují dynamické řízení procesu, snižují náklady a zvyšují výtěžnost. Tato technologie se jeví jako klíčová pro moderní bioprocesní průmysl.

Reference

1. Global ethanol production for fuel use 2022. Statista. (accessed 2023-10-04).
2. Chang Y-H., Chang K-S., Chen C-Y. Enhancement of the Efficiency of Bioethanol Production by Saccharomyces cerevisiae via Gradually Batch-Wise and Fed-Batch Increasing the Glucose Concentration. Fermentation 2018;4(2):45.
3. Devantier R., Pedersen S., Olsson L. Characterization of Very High Gravity Ethanol Fermentation of Corn Mash: Effect of Glucoamylase Dosage, Pre-Saccharification and Yeast Strain. Appl Microbiol Biotechnol 2005;68(5):622–629.