Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3239
Main Title: Einsatz der IR-Spektroskopie bei der Prozessverfolgung von Hefe-Fermentationen sowie bei der Qualitätskontrolle von Getränken,Obst und Hefen
Translated Title: Application of IR spectroscopy for process monitoring of yeast fermentations as well as for quality control of beverages, fruit and yeast
Author(s): Egly, Dominik
Advisor(s): Methner, Frank-Jürgen
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: 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.
Monitoring of microbiological processes using optical sensors and spectrometers has gained in importance over the past few years due to its advantage in enabling non-invasive and on-line analysis of different compounds. Near-infrared (NIR) and mid-infrared (MIR) spectrometer set-ups in combination with multivariate calibrations have already been successfully employed for the simultaneous determination of different metabolites in microbiological processes. In addition, photometric sensors can also be used for the monitoring of microbiological processes. Compared to spectrometers, photometric sensors have, besides the low price, the advantage that they are compact and robust and can be installed directly at the bioreactor. In this work, the detection of ethanol and CO2 in the exhaust gas during aerobic yeast fermentation was performed by two photometric gas analyzers, and dry yeast biomass was monitored using a fiber optic backscatter set-up. The ethanol content of the fermentation broth was monitored on-line by measuring the ethanol concentration in the fermentation exhaust and applying a conversion factor. The vapor / liquid equilibrium and the associated conversion factor strongly depend on the process parameter temperature but not on aeration and stirring rate. Dry yeast biomass was determined in-line by a backscattering signal applying a linear calibration. An on-line balance with a recovery rate of more than 90 % for carbon was achieved with the use of these three optical sensors. Furthermore, it was possible to immediately (within about one minute) determine the concentrations of ethanol, fructose, glucose and biomass in the removed samples from the bioreactor during aerobic baker's yeast fermentations. A very good agreement between the concentrations predicted by MIR-ATR spectroscopy and the reference analysis was achieved. The prediction errors (RMSEP) and the values for the determination coefficient R2 of the external validation for fructose were 0.56 g / L (R2 = 99.12 %), glucose 0.42 g / L (R2 = 99.39 %), ethanol 0.24 g / L (R2 = 99.42 %) and biomass 0.28 g / L (R2 = 95.43 %). The MIR-ATR spectroscopy in combination with multivariate calibration methods proved to be a fast and suitable method which is appropriate for process monitoring of yeast fermentations. In this work, it has also been shown that the ethanol and dextrin content of beer and cola-beer as well as the sugar concentration of fruit juices, cola and cola-beer can be determined by MIR-ATR spectroscopy and multivariate analysis methods. The calibration models were validated by analyzing beer, cola-beer, cola and fruit juice samples and comparing the predicted concentration values with the HPLC measurements. The analysis errors of cross-validation were on average less than 0.1 weight -%. In addition to the multivariate models, univariate (photometric) calibrations for the quantitative analysis of ethanol, dextrins and sugar in beverages using selected MIR spectral regions are also possible. However, in particular, the predictions of the ethanol concentration are significantly influenced by the temperature of the samples. In addition to a raw material control of liquid products, solids such as biological tissues and cells can also be analyzed by the MIR-ATR spectroscopy. In this work, it was investigated whether the MIR-ATR spectroscopy is appropriate for the quantitative determination of important cellular constituents of bakers' yeast (sugars, proteins, water). Calibration models, which were created on the basis of aqueous samples including the main constituents of the yeast cells, were unsuitable for the analysis of yeasts. However, it was shown that a predictive model for the water content or biomass of yeasts can be developed by the use of yeast products as calibration sample.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-35172
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/3536
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3239
Exam Date: 18-Apr-2012
Issue Date: 8-Jun-2012
Date Available: 8-Jun-2012
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Chemometrie
Hefe-Fermentation
Intrazelluläre Hefeanalytik
IR-Spektroskopie
Chemometrics
Intracellular yeast analysis
IR spectroscopy
Yeast fermentation
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