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

Význam tématu

Analýza kukuřičné fermentace na ethanol je klíčová pro optimalizaci výroby biopaliva a zajištění kvality produktu. Tradiční laboratorní metody vyžadují až hodinu na vzorek, což omezuje výrobní kapacitu a brání včasné reakci na procesní odchylky.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem dokumentu je představit využití blízké infračervené spektroskopie (NIRS) k rychlému a nenáročnému sledování parametrů fermentace kukuřice na ethanol. Studie demonstruje, jak díky NIRS snížit dobu analýzy, zvýšit počet měření a tím zvýšit kapacitu a efektivitu provozu.

Použitá metodika a instrumentace

• Technika: NIR spektroskopie s DS2500 Solid Analyzer.
• Software: Vision Air pro lokální i cloudovou správu kalibrací.
• Kalibrace: Předpřipravené modely pro ethanol, celková pevná látka, cukerné frakce (DP2, DP3, DP4+, glukóza), glycerol, kyselina mléčná a octová.
• Referenční metody: HPLC, iontová chromatografie, Karl Fischer titrace, refraktometrie, pH metr, infračervená váha.

Hlavní výsledky a diskuse

NIRS umožňuje zkrácení času na jedno měření z přibližně 60 minut na 5 minut (úspora ~90 %). Zatímco v tradiční laboratoři lze za dobu fermentace provést 12 měření, NIRS jich umožňuje až 62. Doba fermentace se díky rychlejší zpětné vazbě zkrátila z ~62 hodin na ~56 hodin, což v průměru přidává 13 šarží ročně a zvyšuje výrobu o 10 %. Rychlá detekce signálů infekce (laktobacily) či stresu kvasinek (glycerol) dovoluje včasné intervence a optimalizaci procesu.

Přínosy a praktické využití metody

• Výrazné zkrácení doby analýzy a rychlejší rozhodování.
• Snížení nákladů na pracovní sílu a přístrojové vybavení.
• Zvýšení produktivity a plného využití fermentačních kapacit.
• Možnost včasné korekce při kontaminaci či stresu kvasinek.
• Rozšíření metody na analýzu vedlejších produktů (DDGS, kukuřičný olej) a kontrolu vlhkosti.

Budoucí trendy a možnosti využití

Cloudové kalibrace umožní průběžné zlepšování modelů bez nutnosti specializované lokální podpory. Integrace NIRS s IoT a strojovým učením sníží riziko poruch a podpoří prediktivní údržbu. Rozvoj přenosných NIR přístrojů a on-line procesní analýzy rozšíří kontrolu mimo centrální laboratoř.

Závěr

Blízká infračervená spektroskopie významně zrychluje monitoring kukuřičné fermentace na ethanol, snižuje provozní náklady a zvyšuje výrobní kapacitu. Cloudově spravované kalibrace umožňují rychlý náběh a kontinuální optimalizaci metody bez rozsáhlého školení.

Reference

• Essential Energy: 2021 Ethanol Industry Outlook. Renewable Fuels Association, Washington, DC, 2021.
• Determining the Cost of Producing Ethanol from Corn Starch and Lignocellulosic Feedstocks. National Renewable Energy Laboratory (NREL), Golden, CO, USA, 2000.
• Metrohm AG. Simplifying quality control using Near-Infrared Spectroscopy. Metrohm AG, Herisau, Switzerland, 2018.
• Ingledew, W.M. Chapter 7. The biochemistry of alcohol production. In The Alcohol Textbook, 2nd ed.; Lyons T.P., Kelsall D.R., Murtagh J.E., Eds.; Nottingham University Press, 1995; pp. 55–79.