Einsatz der IR-Spektroskopie bei der Prozessverfolgung von Hefe-Fermentationen sowie bei der Qualitätskontrolle von Getränken,Obst und Hefen
Egly, Dominik - Technische Universität Berlin (2012)
Optische Sensoren und Spektrometer werden in den letzten Jahren für die Überwachung mikrobiologischer Prozesse immer häufiger eingesetzt, da mit diesen Techniken eine schnelle und nicht-invasive Messung verschiedener Analyten realisiert werden kann. NIR- und MIR-Spektrometer in Kombination mit multivariaten Kalibrationsmethoden wurden bereits erfolgreich für die simultane Bestimmung verschiedener Metaboliten in mikrobiologischen Prozessen verwendet. Darüber hinaus können photometrische Sensoren ebenfalls für die Überwachung von mikrobiologischen Vorgängen eingesetzt werden. Gegenüber Spektrometern besitzen photometrische Sensoren neben dem niedrigen Preis den Vorteil, dass diese kompakt und robust sind und so direkt am Bioreaktor installiert werden können. Mithilfe von zwei photometrischen IR-Gasanalysatoren wurden in dieser Arbeit der Ethanol- und CO2-Gehalt im Abgas einer aeroben Backhefe-Fermentation sowie unter Verwendung eines faseroptischen Rückstreusensors die Hefetrockensubstanz in der Fermentationsbrühe on-line bestimmt.
Der Ethanolgehalt der Fermentationsbrühe konnte durch die Messung der Ethanolkonzentration im Fermentationsabgas und die Anwendung eines Umrechnungsfaktors in Echtzeit verfolgt werden. Das Dampf- / Flüssigkeitsgleichgewicht und der damit verbundene Umrechnungsfaktor wird erheblich von dem Prozessparameter Temperatur jedoch nicht von der Begasungsrate und Rührerdrehzahl beeinflusst. Die Hefetrockensubstanz in der Fermentationssuspension konnte anhand des Rückstreusignals und der Verwendung einer linearen Kalibration in-line erfasst werden. Durch den Einsatz dieser drei optischen Sensoren war eine on-line Kohlenstoffbilanz mit einer Wiederfindungsrate von mehr als 90 % durchführbar. Ferner konnten mithilfe der MIR-ATR-Spektroskopie während aerober Backhefe-Fermentationen unmittelbar (innerhalb von ca. einer Minute) die Konzentrationen an Ethanol, Fructose, Glucose und Biomasse in den aus dem Bioreaktor entnommenen Fermentationsproben ermittelt werden. Es wurden sehr gute Übereinstimmungen zwischen den durch die MIR-ATR-Spektroskopie vorhergesagten Konzentrationen und der Referenzanalytik erreicht. Die mittleren Vorhersagefehler (RMSEP) und die Werte für das Bestimmtheitsmaß R2 der externen Validierungen betrugen für Fructose 0,56 g / L (R2 = 99,12 %), Glucose 0,42 g / L (R2 = 99,39 %), Ethanol 0,24 g / L (R2 = 99,42 %) und Biomasse 0,28 g / L (R2 = 95,43 %). Die MIR-ATR-Spektroskopie in Kombination mit multivariaten Kalibrationsmethoden erwies sich als eine schnelle und einsatztaugliche Messmethode, welche für eine Prozessverfolgung von Hefe-Fermentationen geeignet ist.
In dieser Arbeit wurde ebenfalls gezeigt, dass mithilfe der MIR-ATR-Spektroskopie und multivariater Analysenmethoden der Ethanol- und Dextringehalt von Bier sowie von Cola-Bier und die Zuckerkonzentrationen von Fruchtsäften, Cola und Cola-Bier bestimmt werden können. Anhand von ausgewählten mit der HPLC-Referenzmethode analysierten Bier-, Cola-Bier- und Fruchtsaftproben wurden die erstellten Kalibrationsmodelle überprüft. Die Analysenfehler der Kreuzvalidierungen lagen durchschnittlich unter 0,1 Gew.-%. Neben der spektroskopischen ist auch eine photometrische Kalibration für die quantitative Analyse von Ethanol, Dextrinen und Gesamtzucker in Getränken anhand ausgewählter MIR-Spektralbereiche möglich. Allerdings werden insbesondere die Vorhersagen der Ethanolkonzentration erheblich von der Probentemperatur beeinflusst. Neben einer Rohstoffkontrolle von flüssigen Produkten können mit der MIR-ATR-Spektroskopie auch Feststoffe wie biologisches Gewebe und Zellen analysiert werden. In dieser Arbeit wurde untersucht, ob sich die MIR-ATR-Spektroskopie dazu eignet, wichtige Zellinhaltsstoffe von Backhefen (Zucker, Proteine, Wasser) quantitativ zu bestimmen. Kalibrationsmodelle, welche anhand von wässrigen Proben mit eingewogenen Hauptbestandteilen der Hefezellen erstellt wurden, waren für die Analyse von Hefen ungeeignet. Allerdings wurde gezeigt, dass durch den Einsatz von Hefepräparaten ein Vorhersagemodell für den Wassergehalt bzw. die Hefetrockensubstanz entwickelt werden kann.