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Vollautomatisierung von Fermentationen mittels FT-NIR Spektroskopie: Eine Innovation mit signifikantem Potential Ramón Mira de Orduña Heidinger Haute Ecole Spécialisée de Suisse Occidentale Ecole d’Ingénieurs de Changins Charles Frohman Cornell University, Takasago

Vollautomatisierung von Fermentationen mittels FT-NIR ... · Vollautomatisierung von Fermentationen mittels FT-NIR Spektroskopie: Eine Innovation mit signifikantem Potential Ramón

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Page 1: Vollautomatisierung von Fermentationen mittels FT-NIR ... · Vollautomatisierung von Fermentationen mittels FT-NIR Spektroskopie: Eine Innovation mit signifikantem Potential Ramón

Vollautomatisierung von Fermentationen mittels FT-NIR Spektroskopie:

Eine Innovation mit signifikantem Potential

Ramón Mira de Orduña HeidingerHaute Ecole Spécialisée de Suisse Occidentale

Ecole d’Ingénieurs de Changins

Charles FrohmanCornell University, Takasago

Page 2: Vollautomatisierung von Fermentationen mittels FT-NIR ... · Vollautomatisierung von Fermentationen mittels FT-NIR Spektroskopie: Eine Innovation mit signifikantem Potential Ramón

Haute Ecole Spécialisée de Suisse OccidentaleEcole d’Ingénieurs de Changins

Nyon

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Saccharomyces cerevisiaeAn excellent production organism

• Acid tolerant• Anaerobic / aerobic metabolism• Robust growth• Large number of molecular tools

• Traditional fermentations• wine, beer, bread

• Modern applications• bio-fuels• proteins• aromas

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Industrial Batch FermentationsExample: alcoholic fermentation

0 100 200 3000

100

200

300

0

5

10

15

Eth

anol

(% v

/v)

To

tal S

ugar

(g/L

)

Time (h)

• Large concentration gradients

• Substrate feedback inhibition• Sluggish / failed

fermentations• Increased spoilage risk

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• High gravity media• may be desriable for efficiency reasons• may be imposed

• hot climates, sweet wines• Increased by-product formation

• Acetic acid• Glycerol• Acetaldehyde

• Reduced Product yields• Fermentation failures

Industrial Batch FermentationsOsmotic stress response

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Fermentation Control in Enology • Temperature control• Measure fermentation rate manually

ThermostatSet-point: 14°CProcess variable: 16°C Cool!

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Current measurement units

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Fermentation rateSet-point: 1 Brix/dayProcess variable: 1.2 Brix/day Cool!

Fermentation monitor

0 2 4 6 8 1 00

2

4

6

8

1 0

1 2

1 4

1 6

1 8

2 0

2 2

AF

Rat

e

T im e

Automated Fermentation RateControl

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• Automated temperature & fermentation rate control– Remote monitoring of fermentations (cell phones)– Adapt temperature to fermentation– Recognize sluggish/stuck AF early on– Coordinate/reduce cooling energy utilization

across entire winery– Can not measure

sugar levels

Automated Fermentation RateControl

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Fully Automated Fermentation Control• Continuous in-line measurement of sugars /

other parametersFermentation monitorGlucose: 30 g/lFructose: 70 g/lTotal Sugars: 100 g/lEthanol: 6.5 % (vol.)

0 2 4 6 8 1 00

2

4

6

8

1 0

1 2

1 4

1 6

1 8

2 0

2 2

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Fully Automated Fermentation Control

• Continuous in-line measurement of sugars– Fermentation temperature control– Fermentation rate management– Automatic AF termination at certain residual

sweetness– Fed-batch fermentations

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Addition of carbon-source during fermentation

Advantages• Avoid substrate concentration extremes

– reduce osmotic stress– avoid feedback inhibition– reduce by-product formation

• Challenges– regulation of substrate feed

Fed-Batch Fermentations

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Control of feed addition• Fixed addition rate

– does not consider fermentation kinetics• Variable feed addition

– Empiric addition - manual adjustment• does not allow for process variations• may not consider actual kinetics

– Off-line (discontinuous) measurement • organizational, labour considerations

– On-line (continuous) measurement • based on actual metabolism• requires continuous metabolite analysis

– In-line (continuous) measurement and automatic control

Feeding Options

Page 14: Vollautomatisierung von Fermentationen mittels FT-NIR ... · Vollautomatisierung von Fermentationen mittels FT-NIR Spektroskopie: Eine Innovation mit signifikantem Potential Ramón

A simple proposal

BATCH• Adding yeast to must

FED-BATCH• automatic, continuous, in-line• Adding must (slowly) to yeast

• yeast degrade sugar as it is provided

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Sugar measurement Options

• Chromatography• Segmented flow analysis, flow injection

analysis• CO2 mass flow or density sensors• Automated discrete analyzers• Bio/Chemo-sensors• Ultrasound• Vibrational Spectroscopy

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Processing Challenges• Specificity, cross sensitivity• Inhibitors• Diffusion limitations• Temperature sensitivity• Signal stability / drift• Sensor robustness / sterilization• Need for sample taking / pre-treatment• CO2 / air bubbles• Sample turbidity

• Yeast, nutrients: > 1'000 NTU

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FTNIR - Spectroscopy

• Direct insertion into tank • non-destructive• no sample taking

required• Not diffusion limited• No consumables• Autoclavable• Flexible metabolite range• Requires calibration with

reference method

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Bruker Multi-purpose FT-NIR Analyzer (MPA)

• 2 mm optical path length transflectance probe (1mm slit)

• 12,500 – 4,000 cm-1 spectral range• 16 cm-1 resolution• long acquisition times (> 500 spectra)• in-line control via Opus Quant / Process

– PROCESS > OPC > PLC > 4-20 mA signal

Equipment and Settings

Page 19: Vollautomatisierung von Fermentationen mittels FT-NIR ... · Vollautomatisierung von Fermentationen mittels FT-NIR Spektroskopie: Eine Innovation mit signifikantem Potential Ramón

Sample spectra before processing

Page 20: Vollautomatisierung von Fermentationen mittels FT-NIR ... · Vollautomatisierung von Fermentationen mittels FT-NIR Spektroskopie: Eine Innovation mit signifikantem Potential Ramón

Sample spectra after vector normalization

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Spectral regions (after vector normalization)

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Fermentation course

0 100 200 3000

1020304050607080

Eth

anol

(% v

/v)

Tot

al S

ugar

(g l-1

)

Time (h)

0246810121416

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Calibrations and Cross validationEthanol

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Calibrations and Cross validationTotal Sugars

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Yeast viability

0 200 400 6000

20

40

60

80

100

Li

ve Y

east

[% o

f tot

al y

east

]

Time [h]

Fed-batch

Batch

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0 50 100 150 200 250 300 350 40060

65

70

75

80

85

90

95

Liv

e Y

east

(%)

Time (h)

Yeast viability

Fed-batch

Batch

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Sugar concentrations

0 200 400 6000

100

200

300

Tota

l Sug

ar [g

/L]

Time [h]

BatchFed-batch

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50 100 150 200 250 300 350

50

100

150

200

250

300

Time [h]

Tot

al S

ugar

(g l-1

)

24681012141618

Eth

anol

(% v

/v)

Sugar/alcohol concentrations

Batch

Fed-batch

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Ethanol concentrations

0 200 400 6000

5

10

15

Eth

anol

[% v

/v]

Time [h]

Batch

Fed-batch

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Acetic acid

0 200 400 6000.00

0.25

0.50

0.75

1.00

Ace

tic a

cid

[g/L

]

Time [h]

Batch

Fed-batch

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50 100 150 200 250 300 350

2

4

6

8

10

0 50 100 150 200 250 300 350 4000.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

Glycerol Acetic Acid

Glycerol / Acetic acid

Batch

Fed-batch

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Acetaldehyde

0 200 400 6000

50

100

150

200A

ceta

ldeh

yde

[mg/

L]

Time [h]

BatchFed-batch

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50 100 150 200 250 300 350

10

20

30

40

Ace

tald

ehyd

e (m

g l-1

)

50 100 150 200 250 300 3500

10

20

30

40

Pyru

vate

(mg

l-1)

Time (h)

50 100 150 200 250 300 3500

20

40

60

80

100

120

140

160

a-ke

togl

utar

ate

(mg

l-1)

Time (h)

50 100 150 200 250 300 350

10

20

30

40

50

60

Ace

toin

(mg

l-1)

Glycerol Acetic Acid

Carbonyls

Batch

Fed-batch

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Propionic acid ethyl ester

0 50 100 150 200 250 300 3500

100

200

300

400

500

600C

once

ntra

tion

[µg/

l]

Time [h]

Fed-batch

Batch

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0 50 100 150 200 250 300 3500

100

200C

once

ntra

tion

[µg/

l]

Time [h]

Hexanoic acid ethyl ester

Batch

Fed-batch

Page 37: Vollautomatisierung von Fermentationen mittels FT-NIR ... · Vollautomatisierung von Fermentationen mittels FT-NIR Spektroskopie: Eine Innovation mit signifikantem Potential Ramón

0 50 100 150 200 250 300 3500

25

50

75

100

125

150

175

200C

once

ntra

tion

[µg/

l]

Time [h]

Octanoic acid ethyl ester

Batch

Fed-batch

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Dynamics of Volume(Volume/Time)

0 200 400 600 800

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000V

olum

e [m

l]

Process Time [h]

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0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200123456789

101112

Alc

ohol

[% v

ol.]

V o lum e A dded (l)

Ethanol/Volume (at 50 g/l sugars)

0 200 400 600 800

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

Volu

me

[ml]

Process Time [h]

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Summary

• FT-NIR based system with ±5 g/l sugar accuracy under (turbid) production conditions• glucose, fructose, ethanol, glycerol

• Fully automated fermentations possible• Traditional batch fermentations• Fed-batch fermentations

• Higher yeast viability• Fundamentally altered yeast metabolism

• decreased formation of osmotic stress related compounds

• Reduced cooling requirements

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Outlook

• Process up-scaling• Process multiplication / platform transfer

• oenology - other analytes• production of

• organic acids• amino acids• proteins• aromas

• Process miniaturization / improvement

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Fed-batch in Process Development

FeedBeadsEnBase - EnPresso

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Acknowledgements• Canandaigua Wine Company, John Dyson, Mike Nolan,

Goichman Endowments

• Bruker Germany:

Dr. JP Conzen, Dr. A Niemöller, Dr. Taraschewski• Spectroscopic parameters, chemometrics, Opus script support

• Bruker USA:

Michael Surgeary, Stephen Medlin, Li Hui• Probe selection, calibrations, Opus scripts