Controllo di qualità dei processi di fermentazione

Negli ultimi anni la produzione di biocombustibili da materie prime rinnovabili ha registrato una crescita enorme. Il bioetanolo rappresenta una delle alternative più interessanti ai combustibili fossili, in quanto producibile da materie prime ricche di zuccheri e amido. La fermentazione dell'etanolo è uno dei processi di fermentazione più datati e importanti utilizzati nel settore della biotecnologia. Sebbene il processo sia molto noto, esiste un grande potenziale di miglioramento e riduzione proporzionale dei costi di produzione. Poiché la qualità delle materie prime varia a seconda della stagione, i produttori di etanolo devono monitorare il processo di fermentazione per garantire che la qualità del prodotto sia la stessa.

Con la spettroscopia nel vicino infrarosso (NIRS) e possibile prevedere in modo rapido e affidabile il contenuto di etanolo, zuccheri, Brix, acido lattico, pH e solidi totali in qualsiasi fase del processo di fermentazione.

Campione di mosto di fermentazione posizionato sull'analizzatore solido DS2500.

Figure 1. Campione di mosto di fermentazione posizionato sul DS2500 Solid Analyzer.

La produzione di etanolo dal mais passa attraverso tre fasi tipiche: macinazione/liquefazione del mais in poltiglia di amido, fermentazione della poltiglia di amido con lievito e infine purificazione dell'etanolo risultante per distillazione. Un totale di 206 campioni (117 per l'indice Brix) di mosto di fermentazione sono stati analizzati sullo strumento DS2500 Solid Analyzer. A causa della grande quantità di solidi presenti nei campioni, tutte le misurazioni sono state eseguite in modalità di riflessione utilizzando il contenitore per campioni grande DS2500 (Figura 1). I campioni sono stati misurati in rotazione per raccogliere dati spettrali da diverse aree. La media spettrale dei segnali provenienti da diversi punti ha contribuito a ridurre la disomogeneità del campione. Il pacchetto software Metrohm Vision Air Complete è stato utilizzato per l'acquisizione di tutti i dati e lo sviluppo di modelli predittivi.

**Tabella 1.** Panoramica delle apparecchiature hardware e software
Attrezzatura	Numero metrohm
DS2500 Analyzer	2.922.0010
DS2500 Coppa campione grande	6.7402.050
Vision Air 2.0 completo	6.6072.208

Tutti i 206 spettri Vis-NIR misurati (figura 2) sono stati utilizzati per creare un modello predittivo per la quantificazione dei parametri chiave di fermentazione. La qualità del modello di previsione è stata valutata utilizzando diagrammi di correlazione, che mostrano una correlazione molto elevata tra la previsione Vis-NIR e i valori di riferimento. I rispettivi valori di riferimento (FOM) mostrano la precisione attesa di una previsione durante l'analisi di routine.

Figure 2. Spettri Vis-NIR di campioni di mosto di fermentazione analizzati su DS2500 Solid Analyzer.

Risultato contenuto di etanolo

Figure 3. Diagramma di correlazione per la previsione del contenuto di etanolo utilizzando un analizzatore solido DS2500. Il valore di laboratorio del contenuto di etanolo è stato valutato utilizzando HPLC.

**Tabella 2.** Valori di riferimento per la previsione del contenuto di etanolo utilizzando DS2500 Solid Analyzer.
Riferimento	Valore
R²	0,998
Errore standard di calibrazione	0,21%
Errore standard di convalida incrociata	0,22%

Risultato contenuto solido

Figure 4. Diagramma di correlazione per la previsione del contenuto solido utilizzando DS2500 Solid Analyzer. Il valore di laboratorio è stato valutato dal bilancio LOD.

**Tabella 3.** Valori di riferimento per la previsione del contenuto solido utilizzando DS2500 Solid Analyzer.
Riferimento	Valore
R²	0,982
Errore standard di calibrazione	0,87%
Errore standard di convalida incrociata	1,06%

Risultato indice brix

Figure 5. Diagramma di correlazione per la previsione dei valori dell'indice Brix. Il valore di laboratorio è stato misurato utilizzando un rifrattometro.

**Tabella 4.** Valori di riferimento per la previsione dei valori dell'indice Brix.
Riferimento	Valore
R²	0,987
Errore standard di calibrazione	0,66
Errore standard di convalida incrociata	0,87

Risultato contenuto di zucchero totale

Figure 6. Diagramma di correlazione per la previsione del contenuto zuccherino totale. Il valore di laboratorio del contenuto di zucchero totale è stato misurato mediante HPLC.

**Tabella 5.** Valori di riferimento per la previsione del tenore zuccherino totale.
Riferimento	Valore
R²	0,981
Errore standard di calibrazione	1,09%
Errore standard di convalida incrociata	1,30%

Risultato contenuto di glucosio

Figure 7. Diagramma di correlazione per la previsione del contenuto di glucosio. Il valore di laboratorio del contenuto di glucosio è stato misurato mediante HPLC.

**Tabella 6.** Valori di riferimento per la previsione del contenuto di glucosio.
Riferimento	Valore
R²	0,920
Errore standard di calibrazione	0,70%
Errore standard di convalida incrociata	0,86%

Risultato contenuto di acido lattico

Figure 8. Diagramma di correlazione per la previsione del contenuto di acido lattico. Il valore di laboratorio dell'acido lattico è stato valutato mediante HPLC.

**Tabella 7.** Valori di riferimento per la previsione del contenuto di acido lattico.
Riferimento	Valore
R²	0,722
Errore standard di calibrazione	0,09%
Errore standard di convalida incrociata	0,10%

Risultato valore pH

Figure 9. Diagramma di correlazione per la previsione del valore del pH. Il valore del pH di laboratorio è stato misurato utilizzando un pHmetro.

**Tabella 8.** Valori di riferimento per la previsione del valore del pH.
Riferimento	Valore
R²	0,734
Errore standard di calibrazione	0,17
Errore standard di convalida incrociata	0,19

Risultato contenuto di maltotriosio

Figure 10. Diagramma di correlazione per la previsione del contenuto di maltotriosio. Il valore di laboratorio del maltotrisio è stato misurato mediante HPLC.

**Tabella 9.** Valori di riferimento per la previsione del contenuto di maltotriosio.
Riferimento	Valore
R²	0,928
Errore standard di calibrazione	0,36%
Errore standard di convalida incrociata	0,42%

Risultato contenuto di destrina

Figure 11. Diagramma di correlazione per la previsione del contenuto di destrina. Il valore del laboratorio di destrina è stato misurato mediante HPLC.

**Tabella 10.** Valori di riferimento per la previsione del contenuto di destrine.
Riferimento	Valore
R²	0,964
Errore standard di calibrazione	0,60%
Errore standard di convalida incrociata	0,68%

Questa Application Note dimostra la fattibilità per determinare più parametri chiave del processo di fermentazione con la spettroscopia NIR. La fermentazione del mais è un processo consolidato che in genere dura dalle 55 alle 60 ore. I campioni vengono estratti dai fermentatori ogni poche ore e inviati al laboratorio per la misurazione analitica. È necessario utilizzare diversi metodi analitici per monitorare i parametri di qualità chiave per il processo di fermentazione. La spettroscopia Vis-NIR consente un'alternativa veloce con elevata precisione e rappresenta quindi un metodo unico adatto per monitorare il processo di fermentazione.

**Tabella 11.** Panoramica del tempo per il risultato per i diversi parametri
Parametro	Metodo	Tempo per il risultato
Etanolo, zuccheri	HPLC	∼30–45 min
Indice Brix	Rifrattometro	∼3–5 min
pH	misuratore di acidita `	∼3–5 min
Solidi	LOD equilibrio	∼10–15 min

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