Negli ultimi anni, l'interesse per lo sviluppo di combustibili alternativi e rinnovabili è cresciuto. Il bioetanolo è un buon sostituto dei combustibili fossili. Può essere ricavato da materiali come zucchero, amido o biomassa lignocellulosica, come il mais in grani.

La produzione globale di etanolo ha superato i 28 miliardi di galloni nel 2022 [1]. L'etanolo viene prodotto principalmente attraverso il processo di fermentazione. La fermentazione trasforma gli zuccheri presenti nella biomassa in etanolo attraverso l'uso del lievito.

È noto che la qualità della materia prima può variare da una stagione all'altra, il che richiede ai produttori di etanolo di adattarsi a ciascun lotto. Grazie all'utilizzo della spettroscopia nel vicino infrarosso (NIRS) in linea, è possibile monitorare simultaneamente diversi parametri qualitativi della fermentazione direttamente nel serbatoio, come illustrato in questa Process Application Note.

Per garantire un'elevata resa e un'elevata qualità dell'etanolo, è necessario monitorare numerosi parametri durante la produzione. Tradizionalmente, la quantità di reagenti, prodotti e sottoprodotti viene misurata in laboratorio dopo aver prelevato un campione dal processo. Tuttavia, i metodi di laboratorio manuali possono comportare tempi di risposta lunghi in caso di modifiche al processo (ad esempio, temperatura, miscela di reazione, livelli di umidità) e la preparazione del campione (diluizione, filtrazione, pipettaggio) può introdurre errori che alterano la precisione dell'analisi.

Inoltre, può essere piuttosto macchinoso poiché sono necessarie più tecniche e/o metodi operativi per analizzare i seguenti parametri: etanolo, destrina (DP4), maltotriosio (DP3), maltosio, glucosio, acido lattico, glicerolo e acido acetico (Tabella 1), insieme a umidità e solidi (enzimi).

In qualsiasi processo chimico, il monitoraggio «in tempo reale» consente una modellazione e un controllo ottimali del processo, il che si traduce in una maggiore produttività, riproducibilità e produttività.

Ad esempio, un monitoraggio e un controllo rigorosi sui vari zuccheri presenti (glucosio, maltosio, DP3 e DP4) durante tutto il processo di fermentazione sono necessari per comprendere il percorso di degradazione dell'amido (generazione di glucosio) presente nel mosto e ottimizzare la produzione di etanolo [2]. La comprensione del percorso dello zucchero consente il corretto dosaggio di «miscela enzimatica» e «miscela di lievito» nel mosto nei serbatoi di fanghi per accelerare la degradazione [3].

Per una fermentazione ottimale, è necessario monitorare più parametri in modo più sicuro, efficiente e rapido, cosa possibile tramite analisi in linea con spettroscopia nel vicino infrarosso (NIRS) senza reagenti (Figura 2). Metrohm Process Analytics offre 2060 The NIR Analyzer (Figure 3) che consente il confronto diretto dei dati spettrali in tempo reale provenienti dal processo con un metodo di riferimento (ad esempio, HPLC) per creare un modello di calibrazione semplice ma indispensabile, utilizzato per produrre risultati quantitativi durante il processo di fermentazione.

I metodi di analisi tradizionali non forniscono sufficienti informazioni in tempo reale sulle prestazioni del processo di fermentazione per la produzione di bioetanolo. L'analisi in linea con NIRS può fornire informazioni più rapide sul processo di fermentazione, ideali per un feedback rapido (circa ogni 30 secondi) e una maggiore produttività del processo.

L'analisi NIRS consente il confronto dei dati spettrali in tempo reale con un metodo primario (ad esempio, titolazione, titolazione Karl Fischer, HPLC, IC) per sviluppare un modello semplice ma essenziale per soddisfare le esigenze del processo di fermentazione. Migliora e ottimizza la gestione della produzione utilizzando Metrohm Process Analytics 2060 The NIR Analyzer, che garantisce un controllo della fermentazione ancora maggiore monitorando fino a cinque punti di processo per cabina NIR con l'opzione multiplexer.