在过去的几年中，可再生原料的生物燃料的生产成倍增长。由于它可以由富含淀粉和糖的原材料（可再生）生产，因此生物乙醇是化石燃料最有趣的替代品之欧洲杯足球竞彩一。
图片来源：Metrohm中东FZC
发酵玉米淀粉为燃料生成乙醇是一个复杂的生化过程，需要监测众多参数以确保最佳产生。
使用传统实验室方法测量这些参数是提高工厂容量和效率的限制步骤，并需要一个小时才能完成。近红外光谱学（NIRS）可以取代常规实验室分析，提高工厂效率和容量，并降低运营成本。
产生高质量乙醇作为燃料添加剂
在全球燃料市场中，乙醇是越来越重要的组成部分，因为各国希望减少相对于化石燃料并确保国内燃料供应的温室气体排放。巴西和美国领导全球生物乙醇产量，占供应量的83％。
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2020年，全世界生产了大约260亿加仑（近1000亿升）的乙醇。1由于全球对汽油和乙醇的大流行需求，这比2019年的峰值略有下降。
随着美国增加了E15混合物的采用（汽油中的15％乙醇），对玉米转化为乙醇的需求仍可能增长。2随着中国等国家为汽车实施E10燃料标准，出口乙醇的需求也可能会增长。
增加工厂容量是满足不断增长的产品需求同时保持价格竞争力的关键方法之一。然而，为了增加生产地点或提高其效率，用于监视发酵过程不同部分的标准实验室分析工作流可能是一个限制因素。
原料质量的季节性甚至区域变化是另一个考虑因素，需要乙醇生产商密切监测发酵过程，以确保实现相同的质量产品。
国家可再生能源实验室的一份报告估计，玉米燃料乙醇的生产成本的近40％来自供应，劳动力，间接费用和可变运营成本。3
这些成本的优化，包括定期维护发酵罐和蒸馏塔，及时对发酵汤的常规质量检查以及及时的分盘过程，从而导致乙醇生产设施的盈利能力更高。
必须克服实验室限制，以最大程度地提高生物乙醇的生产和盈利能力。近红外（NIR）光谱法是一种克服常见实验室局限性的快速，经济和操作员友好的方式。
下面概述了有关生物乙醇生产的一些背景信息，然后再继续如何优化过程。
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乙醇工艺：湿与干燥的铣削
在从玉米等起始材料（例如玉米）中创建乙醇的乙醇时，有两个主要的生产过程：湿研磨过程和干燥铣削过程，如图1所示。欧洲杯足球竞彩
图1。干磨乙醇过程的示意图。图片来源：Metrohm中东FZC
在美国，几乎所有用于燃料生产的乙醇（世界上最大的生物乙醇制造商）都是通过使用干厂工艺制成的。2首先，在干燥的铣削过程中，将晶粒磨成较小，更同质的颗粒，从而使果壳或外壳更容易穿透。欧洲杯猜球平台
然后添加酶和水以形成一种称为土豆泥的浆液。将土豆泥加热到特定的温度，以促进淀粉向糖的转化，然后在添加酵母之前冷却。
酵母通过发酵过程从转化的糖中产生乙醇的工作。但是，乙醇的百分比仍然很低，为了获得燃料添加剂所需的浓度和纯度，必须将溶液蒸馏和脱水。
湿铣料与此过程不同，首先将谷物浸泡和分离各种组件。就像干燥铣削一样，淀粉然后将其转换为用于发酵过程的糖。
实验室分析短缺
该实验室发挥了许多功能，但是监视每个发酵罐中发酵的进度是关键功能之一。通常，这需要许多不同的技术，因为必须检查许多参数，以确保发酵在正轨上。
在整个发酵过程中，需要严格监测和控制存在的不同糖（例如葡萄糖，麦芽糖，DP3等），以了解Mash中存在的淀粉（葡萄糖产生）的分解途径并优化乙醇的产生。
如图1所示，了解这一途径允许将酶和酵母适当地剂量剂量到泥浆储罐中的土豆泥加速，以加速分解。因此，优化酵母和酶混合物对于此过程至关重要。
这些是最高的消费费用乙醇生产并显着影响乙醇的生产率和最终产量。表1显示了一些最常见的分析仪器及其用例。
表格1。在玉米对乙醇发酵过程中测量的典型仪器和参数。资料来源：Metrohm中东FZC
| 范围 |
测量技术 |
分析时间（最小）样品准备。 |
| 溶解的固体（°BX） |
折光仪 |
3–5 |
| ph |
pH计 |
3–5 |
| 固体（非挥发物） |
红外平衡 |
15–20 |
| 乙醇 |
HPLC |
30–45 |
| 糖剖面（DP2，DP3，DP4+，葡萄糖，总糖） |
HPLC |
30–45 |
| 甘油 |
HPLC |
30–45 |
| 乳酸 |
离子色谱法 |
30–45 |
| 醋酸 |
离子色谱法 |
30–45 |
| 含水量 |
Karl Fischer滴定 |
5–10 |
如果要测量表1中的所有属性，它很容易花费一个小时和六个不同的设备。2020欧洲杯下注官网进行常规发酵分析的时间增加了条件步骤和参考扫描以确保正确校准的时间。
单个玉米发酵可能需要超过55小时，一个小时进行分析，每次测量之间进行六个小时。然而，将并发发酵的数量增加到四个或六个，意味着来自不同储罐的测量将开始重叠。
对于生物乙醇生产者而言，重叠的仪器需求以及较长的分析时间会导致各种不同的挑战。首先，如果安排的采样时间重叠，则必须在等待分析或采样时延迟样品。
其次，较长的分析时间意味着数据不再是当前的，但是到已将其传达给植物控制中心时，它的数量为一小时或以上，从而降低了处理偏差的能力。对于制造商而言，这些情况都不是理想的，因为时间是金钱。
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罕见的测量和较长的实验室分析时间降低了执行干预措施或调整其他关键参数的能力（例如，过程温度或酶的添加率）。此外，如果认为批次被认为是恢复的，那么等待时间如此漫长的等待时间可能会阻碍提早结束发酵的决定。
更快的测量等于更高的利润
克服测量时间挑战的最明显方法是增加自动化和/或增加实验室中的工具数量。但是，这种方法的成本是及时的。样本准备的两倍增加了运营费用，但仍然无法为工厂运营团队提供高速反馈。
使用近红外光谱（NIR）是克服测量时间延迟的更好方法。它可以在不到五分钟的时间内同时使用一件设备执行所有传统的实验室测量。2020欧洲杯下注官网
图2中显示了一家植物的许多发酵过程中HPLC测量的平均乙醇浓度。在最初的12小时内，数据显示出明显的不连续性，溶解的固体和葡萄糖中的峰值。
图2。如表1中列出的主要分析方法所报道的，用于玉米发酵对乙醇的关键参数。图片来源：Metrohm中东FZC
同样很明显，48小时时的总固体测量是错误的。但是，由于实验室数据需要很多时间来收集，因此忽略了这种尖峰而不是重新测试。图3中显示的传统测量值的NIR替代方法是几乎实时监测的单个发酵。
这种高速分析是可能的，因为样本制备对于NIR是微不足道的。与HPLC和其他分析技术的组合相比，每个样品需要大约一个小时的操作员时间，NIRS测量相同的参数，并在一分钟内给出质量的结果。
在发酵过程的早期阶段收集许多NIR光谱的能力提供了更高的保真度，从而可以更及时的干预措施以最大化乙醇的产生。
如表2所示，通过增加批处理和收入的数量，可以使用较高的NIRS分析来增加植物吞吐量。通过传统分析，根据最终的实验室结果，允许发酵进行62-65小时（图2）。
图3。通过近红外光谱法测量，玉米发酵对乙醇。图片来源：Metrohm中东FZC
这种发酵在大约56小时内通过NIRS分析完成，如图3所示。在一年的过程中，发酵时间减少了六个小时，将潜在的批次数量扩大了13个，代表潜在的工厂容量增加了10％。
表2。基于主要实验室分析与NIRS分析的表观发酵时间的比较。资料来源：Metrohm中东FZC
|
传统实验室分析 |
NIRS分析 |
| 总测量时间 |
12小时 |
5个小时 |
| 测量数 |
12 |
62 |
| 发酵终点 |
〜62小时 |
56小时 |
| 批处理容量 |
37,850 L |
37,850 L |
| 每年批次 |
129 |
142 |
乙醇生产商的近红外光谱溶液
为了使分析更轻松并优化生产，MetroHM为乙醇生产商提供了许多NIRS解决方案。这DS2500固体分析仪在图4中看到的是对发酵过程中众多关键质量参数的快速实验室分析的理想选择。
此外，Metrohm还直接在此过程中制作了NIRS工具进行测量，从而规避了去除样品并将其运输到实验室的要求。使用此方法收集的测量是实际过程条件的最大代表性，因此向操作员提供了最高质量的数据。
控制室和过程分析仪之间的数据通信可以直接概述当前状况，而无需延迟，并在读取读数不合规格或在认为发酵过程已完成时会集成警告的可能性。
图4。MetroHM DS2500固体分析仪。图片来源：Metrohm中东FZC
概括
对于过程中的发酵样品，近红外分析将测量时间从一小时到五分钟降低了约90％。更快的测量使发酵过程更加紧密地遵循，从而节省了操作员的时间来降低成本并优化过程条件和工厂操作。
通过能够根据使用NIR来快速确定发酵罐中的不同参数，而不是传统的实验室技术来阻止发酵剂，从而可以增强10％的能力。
NIR方法论除发酵监测外，还可以在整个乙醇工厂提供优势，以衡量其他植物组件（例如离心机或干衣机）的性能，使其成为改善整个设施运营的宝贵工具。
参考
- 年度燃料乙醇生产美国和世界乙醇生产。可再生燃料协会：华盛顿特区，2021年。https://ethanolrfa.org/statistics/annual-ethanol-production/
- 基本能源：2021年乙醇行业的前景。可再生燃料协会：华盛顿特区，2021年。https://ethanolrfa.org/wp-content/uploads/2021/02/rfa_outlook_2021_fin_low.pdf
- 确定从玉米淀粉和木质纤维素原料中产生乙醇的成本。国家可再生能源实验室（NREL）：美国科罗拉多州戈尔登，2000年。https://www.nrel.gov/docs/fy01osti/28893.pdf
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