Utilization of Raman analytics in monitoring wood biorefinery processes

Abstract

Raman spectroscopy has shown promise as a method for monitoring online processes and has been the subject of extensive research for several decades. Raman analytics can provide precise spectral data, is not sensitive to moisture, and does not require sample pretreatment. Raman spectroscopy is non-destructive, and its measurements are simple and fast. The suitability of Raman analytics for monitoring the wood biorefining process was tested by measuring several lignocellulose-based hydrolysate samples. The samples contained carbohydrates such as glucose, xylose, and mannose, inhibitors such as furfural and 5-hydroxymethylfurfural, and lignin residues. The primary objective was to determine the ratio of glucose to xylose in the hydrolysate samples using Raman spectroscopy as this result provides comprehensive information about the process conditions. Additionally, its suitability was evaluated based on Raman's ability to measure inhibitor concentrations. The concentrations of the samples were determined with the reference method high performance liquid chromatography (HPLC), after which Raman spectra were measured from the samples. PLS regression was used to calibrate the models. The ratio of glucose and xylose could be modeled with high quality accuracy, but the modeling accuracy of concentrations of inhibitors and other analytes was weaker. Based on the results of this study, the suitability of Raman as an online process monitoring tool shows promise but further studies are required to determine the effects of process environment conditions on measurement accuracy.

Raman-spektroskopia on vaikuttanut lupaavalta menetelmältä online-prosessien seurantaan ja se on ollut laajan tutkimuksen kohteena useiden vuosikymmenien ajan. Raman-analytiikka kykenee tarjoamaan tarkkaa spektritietoa, se ei ole herkkä kosteudelle, eikä vaadi näytteen esikäsittelyä. Raman-spektroskopia ei tuhoa näytettä ja mittaus on suoraviivaista ja nopeaa. Raman-analytiikan soveltuvuutta puun biojalostusprosessin seurantaan testattiin mittaamalla useita lignoselluloosapohjaisia hydrolysaattinäytteitä. Näytteet sisälsivät hiilihydraatteja kuten glukoosia, ksyloosia ja mannoosia, inhibiittoreita kuten furfuraalia ja 5-hydroksymetyylifurfuraalia sekä ligniinijäämiä. Pääasiallisena tavoitteena oli selvittää Raman spektroskopian keinoin hydrolysaattinäytteistä glukoosin ja ksyloosin suhde, sillä tämä suhdeluku tarjoaa kattavaa informaatiota prosessiolosuhteista. Lisäksi menetelmän soveltuvuutta arvioitiin Ramanin kyvyllä mitata inhibiittorien konsentraatioita. Näytteiden konsentraatiot määritettiin referenssimenetelmällä (HPLC), minkä jälkeen näytteistä mitattiin Raman-spektrit. Mallien kalibrointiin käytettiin PLS-regressiota. Glukoosin ja ksyloosin suhde pystyttiin mallintamaan tarkasti, mutta inhibiittoreiden ja muiden analyyttien konsentraatioiden mallinnustarkkuus oli heikompi. Tämän tutkimuksen tulosten perusteella Ramanin soveltuvuus online-prosessinseurantatyökaluksi on lupaava, mutta lisätutkimuksia prosessiympäristön olosuhteiden vaikutuksesta mittaustarkkuuteen tarvitaan.