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Quality Control of fermentation  processes

AN-NIR-093

2021-05

Quality Control of fermentation processes

Multiparameter determination within one minute


概要

再生可能な原料からのバイオ燃料の生産は、過去数年間で飛躍的に増加しています。バイオエタノールは、糖分やでんぷんが豊富な原材料から生産できるため、化石燃料に代わる最も興味深い代替手段の一つです。エタノール発酵は、バイオテクノロジー産業で使用される最も古く、最も重要な発酵プロセスの一つです。このプロセスはよく知られているものの、改良の余地が大きくあり、それに比例して生産コストを削減できる可能性があります。原料品質の季節変動により、エタノール生産者は同じ品質の製品を確実に得るために、発酵プロセスを監視する必要があります。
近赤外分光法(NIRS)は、発酵プロセスのどの段階においても、エタノール含有量、糖分、Brix、乳酸、pH、および総固形分を迅速かつ信頼性高く測定可能です。


試験機器

Fermentation mash sample placed on the DS2500 Solid Analyzer.
図 1. DS2500 Solid Analyzerに設置された発酵マッシュサンプル。

とうもろこしからのエタノール生産は、通常、3つの工程を経ます。とうもろこしをでんぷん質マッシュへと製粉/液化する工程、でんぷん質マッシュを酵母で発酵させる工程、そして最後に生成されたエタノールを蒸留によって精製する工程です。発酵マッシュの合計206サンプル(Brix指数については117サンプル)をDS2500 Solid Analyzerで分析しました。サンプルには多量の固形分が含まれているため、すべての測定はDS2500 Large sample cup(図1)を使用した反射モードで実施しました。複数のサンプル領域からスペクトルデータを収集するため、サンプルカップは回転させながら測定しました。複数の箇所から得られるスペクトル平均化することで、サンプルの不均一性を低減しました。すべてのデータ取得および検量線予測モデル開発には、メトロームのソフトウェアパッケージVision Air Completeを使用しました。

表 1. ハードウェアおよびソフトウェア機器概要
機器 メトローム品番
DS2500 Analyzer2.922.0010 
DS2500 ラージサンプルカップ6.7402.050 
Vision Air 2.0 Complete6.6072.208


結果

測定された全206個のVis-NIRスペクトル(図2)を使用して、主要な発酵パラメーターの定量化のための検量線予測モデルを作成しました。検量線予測モデルの精度は相関図を用いて評価され、Vis-NIR予測値と従来分析値との間に非常に高い相関が示されました。それぞれの統計指標(FOM)は、日常分析におけるNIR分析法の期待精度を示しています。

Vis-NIR spectra of fermentation mash samples analyzed on a DS2500 Solid Analyzer.
図 2. DS2500 Solid Analyzerで分析された発酵マッシュサンプルのVis-NIRスペクトル

結果 エタノール含有量

Correlation diagram for the prediction of ethanol content using a DS2500 Solid Analyzer. The ethanol content lab value was evaluated using HPLC.
図 3. DS2500 Solid Analyzerを使用したエタノール含有量予測の相関図です。エタノール含有量のラボ値はHPLCで評価しました。
表 2. DS2500 Solid Analyzerを使用したエタノール含有量予測の統計指標
統計指標
値
R20.998
検量線標準誤差
0.21%
内的交差確認標準誤差0.22%

結果 固形分含有量

Correlation diagram for the prediction solid content using a DS2500 Solid Analyzer. The lab value was evaluated by LOD balance.
図 4. DS2500 Solid Analyzerを使用した固形分含有量予測の相関図。ラボ値はLODバランスにより評価しました。
表 3. DS2500 Solid Analyzerを使用した固形分含有量予測の統計指標
統計指標
値
R20.982
検量線標準誤差
0.87%
内的交差確認標準誤差
1.06%

結果 Brix指数

Correlation diagram for the prediction of Brix index values. The lab value was measured using a  refractometer.
図 5. Brix指数値予測の相関図。ラボ値は屈折計を用いて測定しました。
表 4. Brix指数値予測の統計指標
統計指標
値
R20.987
検量線標準誤差
0.66
内的交差確認標準誤差
0.87

結果 総糖含有量

Correlation diagram for the prediction of the total sugar content. The total sugar content lab value  was measured using HPLC.
図 6. 総糖含有量予測の相関図。総糖含有量のラボ値はHPLCを用いて測定しました。
表 5. 総糖含有量予測の統計指標
統計指標
値
R20.981
検量線標準誤差
1.09%
内的交差確認標準誤差
1.30%

結果 グルコース含有量

 Correlation diagram for the prediction of glucose content. The glucose content lab value was  measured using HPLC.
図 7. グルコース含有量予測の相関図。グルコース含有量のラボ値はHPLCを用いて測定しました。
表 6. グルコース含有量予測の統計指標
統計指標
値
R20.920
検量線標準誤差
0.70%
内的交差確認標準誤差
0.86%

結果 乳酸含有量

Correlation diagram for the prediction of lactic acid content. The lactic acid lab value was  evaluated using HPLC.
図 8. 乳酸含有量予測の相関図。乳酸のラボ値はHPLCを用いて評価しました。
表 7. 乳酸含有量予測の統計指標
統計指標
値
R20.722
検量線標準誤差
0.09%
内的交差確認標準誤差
0.10%

結果 pH値

Correlation diagram for the prediction of pH value. The pH lab value was measured using a pH  meter.
図 9. pH値予測の相関図。pHのラボ値はpHメーターを用いて測定しました。
表 8. pH値予測の統計指標
統計指標
値
R20.734
検量線標準誤差
0.17
内的交差確認標準誤差
0.19

結果 マルトトリオース含有量

Correlation diagram for the prediction of maltotriose content. The maltotriose lab value was  measured using HPLC.
図 10. マルトトリオース含有量予測の相関図。マルトトリオースのラボ値はHPLCを用いて測定しました。
表 9. マルトトリオース含有量予測の統計指標.
統計指標
値
R20.928
検量線標準誤差
0.36%
検量線標準誤差
0.42%

結果 デキストリン含有量

Correlation diagram for the prediction of dextrin content. The dextrin lab value was measured  using HPLC.
図 11. デキストリン含有量予測の相関図。デキストリンのラボ値はHPLCを用いて測定しました。
表 10. デキストリン含有量予測の統計指標
統計指標値
R20.964
検量線標準誤差0.60%
内的交差確認標準誤差0.68%

まとめ

本アプリケーションノートは、NIR分光法を用いて発酵プロセスの複数の主要パラメーターを決定できることを実証するものです。とうもろこしの発酵は確立されたプロセスであり、通常55~60時間かけて行われます。サンプルは数時間ごとに発酵槽から抽出され、分析測定のためにラボへ送られます。発酵プロセスの主要な品質パラメーターを監視するには、複数の分析方法を使用する必要があります。Vis-NIR分光法は、高い精度を持つ迅速な代替分析を可能にし、そのため発酵プロセスを監視するための適切な分析手法となります。

 

表 11. 各パラメーターの結果取得時間の概要
パラメータ 方法 結果取得時間 
エタノール、糖類 HPLC ∼30–45 分
Brix 指数屈折計∼3–5 分
pH pH メーター∼3–5 分 
固形分LOD バランス∼10–15 分 
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メトロームジャパン株式会社

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