التخمير بمساعدة الموجات فوق الصوتية لإنتاج الإيثانول الحيوي

يمكن للتخمير بمساعدة الموجات فوق الصوتية تعزيز إنتاج الإيثانول الحيوي من خلال تسهيل تفكيك الكربوهيدرات المعقدة إلى سكريات أبسط، مما يجعلها أكثر إتاحة للخميرة لتحويلها إلى إيثانول. وفي الوقت نفسه، تحسّن المعالجة بالموجات فوق الصوتية أيضًا كفاءة نفاذية جدار خلايا الخميرة، مما يتيح إطلاق الإيثانول بسرعة أكبر وزيادة الإنتاج الإجمالي. وبذلك، يؤدي تخمير الإيثانول الحيوي بمساعدة الموجات فوق الصوتية إلى معدلات تحويل أعلى ومردود أكبر.

التخمير

يمكن أن يكون التخمير عملية هوائية (= تخمير تأكسدي) أو لاهوائية، ويُستخدم في تطبيقات التقنية الحيوية لتحويل المواد العضوية بواسطة مزارع خلايا بكتيرية أو فطرية أو خلايا حيوية أخرى، أو بواسطة الإنزيمات. ومن خلال التخمير، تُستخلص الطاقة من أكسدة المركبات العضوية، مثل الكربوهيدرات.
السكر هو الركيزة الأكثر شيوعًا للتخمير، الذي ينتج عنه بعد اكتماله منتجات مثل حمض اللاكتيك واللاكتوز والإيثانول والهيدروجين. وفي التخمير الكحولي، يُنتَج الإيثانول بالتخمير – خاصةً لاستخدامه وقودًا، وكذلك للمشروبات الكحولية. وعندما تستقلب سلالات معينة من الخميرة، مثل Saccharomyces cerevisiae ، السكر، تحوّل خلايا الخميرة المادة الأولية إلى إيثانول وثاني أكسيد الكربون.

تلخّص المعادلات الكيميائية أدناه عملية التحويل:

إذا كانت المادة الأولية هي النشا، مثل النشا المستخلص من الذرة، فيجب أولًا تحويل النشا إلى سكر. ولإنتاج الإيثانول الحيوي المستخدم وقودًا، يلزم إجراء التحلل المائي لتحويل النشا. وعادةً ما يُسرَّع التحلل المائي بالمعالجة الحمضية أو الإنزيمية، أو بالجمع بينهما. ويُجرى التخمير عادةً عند نحو 35–40 °C.
نظرة عامة على عمليات التخمير المختلفة:

الأغذية :

• الإنتاج & الحفظ
• منتجات الألبان (تخمير حمض اللاكتيك)، مثل الزبادي واللبن المخيض والكفير
• الخضراوات المخمّرة تخميرًا لاكتيكيًا، مثل الكيمتشي والميسو والناتو والتسوكيمونو ومخلل الملفوف
• تكوين المركبات العطرية، مثل صلصة الصويا
• تحلل مواد الدباغة، مثل الشاي والكاكاو والقهوة والتبغ
• المشروبات الكحولية، مثل البيرة والنبيذ والويسكي

الأدوية :

• إنتاج المركبات الطبية، مثل الإنسولين وحمض الهيالورونيك

الغاز الحيوي/ الإيثانول :

• تحسين إنتاج الغاز الحيوي/ الإيثانول الحيوي

أظهرت أوراق بحثية متنوعة واختبارات على نطاق الأجهزة المنضدية والنطاق التجريبي أن الموجات فوق الصوتية تحسّن عملية التخمير من خلال إتاحة مزيد من الكتلة الحيوية للتخمير الإنزيمي. وفي القسم التالي، ستُشرح تأثيرات الموجات فوق الصوتية في السائل بالتفصيل.

تأثيرات معالجة السوائل بالموجات فوق الصوتية

يمكن توليد سعات اهتزاز عالية باستخدام موجات فوق صوتية عالية القدرة/ منخفضة التردد. وبذلك، يمكن استخدام الموجات فوق الصوتية عالية القدرة/ منخفضة التردد لمعالجة السوائل، مثل الخلط والاستحلاب والتشتيت وتفكيك التكتلات أو الطحن.
عند معالجة السوائل بالموجات فوق الصوتية بشدات عالية، تؤدي الموجات الصوتية التي تنتشر في الأوساط السائلة إلى دورات متناوبة من الضغط المرتفع (الانضغاط) والضغط المنخفض (التخلخل)، بمعدلات تعتمد على التردد. وخلال دورة الضغط المنخفض، تُنشئ الموجات فوق الصوتية عالية الشدة فقاعات فراغية صغيرة أو تجاويف في السائل. وعندما تصل الفقاعات إلى حجم لا تستطيع عنده امتصاص المزيد من الطاقة، تنهار بعنف خلال دورة الضغط المرتفع. وتُسمى هذه الظاهرة التجويف. التجويف، أي «تكوّن الفقاعات ونموها وانهيارها الانفجاري الداخلي في سائل. وينتج عن الانهيار التجويفي تسخين موضعي شديد (~5000 K)، وضغوط مرتفعة (~1000 atm)، ومعدلات هائلة للتسخين والتبريد (>109 K/sec)» وتيارات نفاثة سائلة (~400 km/h). (Suslick 1998)

توجد وسائل مختلفة لتوليد التجويف، مثل الفوهات عالية الضغط، وخلاطات العضو الدوّار والعضو الثابت، وأجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية. وفي جميع هذه الأنظمة، تتحول الطاقة المُدخلة إلى احتكاك واضطرابات وموجات وتجويف. ويعتمد الجزء من الطاقة المُدخلة الذي يتحول إلى تجويف على عدة عوامل تصف حركة المعدات المولِّدة للتجويف في السائل. وتُعد شدة التسارع أحد أهم العوامل المؤثرة في كفاءة تحويل الطاقة إلى تجويف. فالتسارع الأعلى يولّد فروق ضغط أكبر. وهذا بدوره يزيد احتمال تكوّن فقاعات فراغية بدلًا من توليد موجات تنتشر عبر السائل. وبالتالي، كلما زاد التسارع، زادت نسبة الطاقة التي تتحول إلى تجويف.
في حالة محوّل الموجات فوق الصوتية، تصف سعة الاهتزاز شدة التسارع. وتؤدي السعات الأعلى إلى توليد التجويف بفعالية أكبر. وبالإضافة إلى الشدة، ينبغي تسريع السائل بطريقة تقلّل الفواقد الناتجة عن الاضطرابات والاحتكاك وتوليد الموجات إلى أدنى حد. والطريقة المثلى لذلك هي الحركة في اتجاه واحد. وبتغيير شدة عملية المعالجة بالموجات فوق الصوتية ومعلماتها، يمكن أن تكون المعالجة شديدة جدًا أو لطيفة جدًا. وهذا يجعل الموجات فوق الصوتية أداة متعددة الاستخدامات لمختلف التطبيقات.

تشمل التطبيقات اللطيفة، التي تستخدم معالجة خفيفة بالموجات فوق الصوتية في ظروف معتدلة، إزالة الغازات, الاستحلاب، وتنشيط الإنزيمات. أما التطبيقات الشديدة التي تستخدم موجات فوق صوتية عالية الشدة/ عالية القدرة (غالبًا تحت ضغط مرتفع) فتشمل الطحن الرطب, تفكيك التكتلات وتقليل حجم الجسيمات، و التشتيت. وفي العديد من التطبيقات، مثل الاستخلاص، أو التفتيت، أو الكيمياء الصوتية، تعتمد شدة الموجات فوق الصوتية المطلوبة على المادة المحددة المراد معالجتها بالموجات فوق الصوتية. وبفضل تنوع المعلمات التي يمكن تكييفها مع كل عملية، تتيح الموجات فوق الصوتية تحديد ظروف التشغيل المثلى لكل عملية على حدة.
إلى جانب الكفاءة الاستثنائية في تحويل القدرة، توفر المعالجة بالموجات فوق الصوتية ميزة كبيرة تتمثل في التحكم الكامل في أهم المعلمات: السعة والضغط ودرجة الحرارة واللزوجة والتركيز. وهذا يتيح ضبط جميع هذه المعلمات بهدف تحديد معلمات المعالجة المثالية لكل مادة بعينها. وينتج عن ذلك فعالية أعلى وكفاءة محسّنة.

الموجات فوق الصوتية لتحسين عمليات التخمير، مع شرح إنتاج الإيثانول الحيوي مثالًا

الإيثانول الحيوي ناتج عن تحلل الكتلة الحيوية أو المواد القابلة للتحلل الحيوي في النفايات بواسطة البكتيريا اللاهوائية أو الهوائية. ويُستخدم الإيثانول الناتج أساسًا وقودًا حيويًا. وهذا يجعل الإيثانول الحيوي بديلًا متجددًا وصديقًا للبيئة للوقود الأحفوري، مثل الغاز الطبيعي.
لإنتاج الإيثانول من الكتلة الحيوية، يمكن استخدام السكر والنشا والمواد اللجنوسليلوزية موادَّ أولية. وعلى نطاق الإنتاج الصناعي، يسود حاليًا استخدام السكر والنشا لجدواهما الاقتصادية.
يمكن اختبار كيفية تحسين الموجات فوق الصوتية لعملية مخصصة لأحد العملاء، باستخدام مادة أولية محددة وفي ظروف معينة، بسهولة كبيرة من خلال اختبارات الجدوى. وفي الخطوة الأولى، ستُظهر معالجة كمية صغيرة من معلّق المادة الخام بالموجات فوق الصوتية باستخدام جهاز مختبري بالموجات فوق الصوتية ما إذا كانت الموجات فوق الصوتية تؤثر في المادة الأولية.

اختبارات الجدوى

في مرحلة الاختبار الأولى، يُنصح بإدخال كمية مرتفعة نسبيًا من الطاقة فوق الصوتية إلى حجم صغير من السائل، إذ يزيد ذلك فرصة معرفة ما إذا كان يمكن الحصول على أي نتائج. كما أن صغر حجم العينة يقلّل زمن استخدام الجهاز المختبري ويخفض تكاليف الاختبارات الأولى.
تنتقل الموجات فوق الصوتية من سطح السونوترود إلى السائل. وتبلغ شدة الموجات فوق الصوتية أقصاها أسفل سطح السونوترود. ولذلك، يُفضَّل أن تكون المسافات بين السونوترود والمادة المعالجة بالموجات فوق الصوتية قصيرة. وعند تعريض حجم صغير من السائل للمعالجة، يمكن إبقاء المسافة من السونوترود قصيرة.
يوضح الجدول أدناه المستويات النموذجية للطاقة/الحجم في عمليات المعالجة بالموجات فوق الصوتية بعد تحسينها. ولأن التجارب الأولى لن تُجرى بإعدادات مثلى، فإن استخدام شدة معالجة وزمن معالجة بالموجات فوق الصوتية يعادلان 10 إلى 50 ضعف القيمة النموذجية سيُظهر ما إذا كان هناك أي تأثير في المادة المعالجة بالموجات فوق الصوتية أم لا.

العملية	الطاقة/ الحجم	حجم العينة	القدرة	الزمن
بسيطة	< 100Ws/mL	10mL	50W	< 20 sec
متوسطة	100Ws/mL إلى 500Ws/mL	10mL	50W	20 إلى 100 sec
شديدة	> 500Ws/mL	10mL	50W	>100 sec

الجدول 1 – القيم النموذجية للمعالجة بالموجات فوق الصوتية بعد تحسين العملية

يمكن تسجيل القدرة الفعلية المُدخلة في التجارب عبر تسجيل البيانات المدمج (UP200Ht وUP200St)، أو واجهة الحاسوب، أو باستخدام مقياس القدرة. وبالاقتران مع البيانات المسجلة لإعداد السعة ودرجة الحرارة، يمكن تقييم نتائج كل تجربة وتحديد قيمة مرجعية للطاقة/الحجم.
إذا اختيرت إعدادات مثلى أثناء الاختبارات، فيمكن التحقق من أدائها خلال خطوة التحسين، ثم توسيع نطاقها في النهاية إلى المستوى التجاري. ولتسهيل التحسين، يُوصى بشدة أيضًا بفحص حدود المعالجة بالموجات فوق الصوتية، مثل درجة الحرارة أو السعة أو الطاقة/الحجم، لتركيبات محددة. ونظرًا إلى أن الموجات فوق الصوتية قد تُحدث تأثيرات سلبية في الخلايا أو المواد الكيميائية أو الجسيمات، يجب فحص المستويات الحرجة لكل معلمة لحصر التحسين اللاحق ضمن نطاق المعلمات الذي لا تُلاحظ فيه التأثيرات السلبية. ويُوصى باستخدام وحدات مختبرية أو منضدية صغيرة في دراسة الجدوى للحد من نفقات المعدات والعينات في مثل هذه التجارب. وبوجه عام، تلبي الوحدات بقدرة 100 إلى 1,000 واط أغراض دراسة الجدوى على نحو جيد جدًا. (راجع Hielscher 2005)

التحسين

قد تُظهر النتائج المحققة أثناء دراسات الجدوى استهلاكًا مرتفعًا نسبيًا للطاقة مقارنةً بالحجم الصغير المعالج. لكن الغرض الأساسي من اختبار الجدوى هو إظهار تأثيرات الموجات فوق الصوتية في المادة. وإذا ظهرت تأثيرات إيجابية في اختبارات الجدوى، فيجب بذل المزيد من الجهود لتحسين نسبة الطاقة/الحجم. وهذا يعني استكشاف الإعدادات المثالية لمعلمات الموجات فوق الصوتية لتحقيق أعلى مردود باستخدام أقل قدر ممكن من الطاقة، لجعل العملية أكثر جدوى وكفاءة من الناحية الاقتصادية. ولتحديد الإعدادات المثلى للمعلمات – التي تحقق الفوائد المنشودة بأقل طاقة مُدخلة – يجب دراسة العلاقة بين أهم المعلمات، وهي السعة والضغط ودرجة الحرارة و السائل من حيث تركيبه. وفي هذه الخطوة الثانية، يُوصى بالانتقال من المعالجة بالموجات فوق الصوتية على دفعات إلى منظومة معالجة مستمرة بالموجات فوق الصوتية مزودة بمفاعل خلية التدفق، إذ لا يمكن التأثير في معلمة الضغط المهمة عند المعالجة على دفعات. وأثناء المعالجة بالموجات فوق الصوتية على دفعات، يقتصر الضغط على الضغط المحيط. وإذا مرت عملية المعالجة بالموجات فوق الصوتية عبر حجرة خلية التدفق القابلة للضغط، فيمكن رفع الضغط (أو خفضه)، مما يؤثر عمومًا في التجويف الناتج عن الموجات فوق الصوتية تأثيرًا كبيرًا. وباستخدام خلية التدفق، يمكن تحديد العلاقة بين الضغط وكفاءة العملية. وتُعد أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية ذات القدرة بين 500 واط و 2000 واط الأنسب لتحسين العملية.

توسيع النطاق إلى الإنتاج التجاري

إذا حُددت الإعدادات المثلى، فإن توسيع النطاق لاحقًا يكون بسيطًا، لأن عمليات المعالجة بالموجات فوق الصوتية قابلة للتكرار بالكامل عند توسيع النطاق خطيًا. وهذا يعني أنه عند تطبيق الموجات فوق الصوتية على تركيبة سائلة مطابقة وبإعدادات مطابقة لمعلمات المعالجة، يلزم المقدار نفسه من الطاقة لكل وحدة حجم للحصول على نتيجة مطابقة، بصرف النظر عن نطاق المعالجة. (Hielscher 2005). وهذا يتيح تطبيق الإعدادات المثلى لمعلمات الموجات فوق الصوتية على نطاق الإنتاج الكامل. وعمليًا، لا يوجد حد للحجم الذي يمكن معالجته بالموجات فوق الصوتية. وتتوفر أنظمة تجارية للموجات فوق الصوتية بقدرة تصل إلى 16,000 واط لكل وحدة، ويمكن تركيبها في مجموعات. ويمكن تركيب هذه المجموعات من أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية على التوازي أو على التوالي. ومن خلال تركيب أجهزة معالجة بالموجات فوق الصوتية عالية القدرة في مجموعات، تصبح القدرة الإجمالية شبه غير محدودة، مما يتيح معالجة تيارات كبيرة الحجم دون مشكلة. كذلك، إذا لزم تكييف نظام الموجات فوق الصوتية، مثل ضبط المعلمات لتناسب تركيبة سائلة معدّلة، فيمكن عادةً إجراء ذلك بتغيير السونوترود أو معزّز السعة أو خلية التدفق. وتجعل قابلية توسيع النطاق خطيًا، وقابلية التكرار، وقابلية تكييف الموجات فوق الصوتية هذه التقنية المبتكرة فعالة وذات جدوى اقتصادية.

معلمات المعالجة بالموجات فوق الصوتية

تُوصَف معالجة السوائل بالموجات فوق الصوتية بعدد من المعلمات. وأهمها السعة والضغط ودرجة الحرارة واللزوجة والتركيز. وتكون نتيجة العملية، مثل حجم الجسيمات، عند إعدادات معينة للمعلمات، دالةً في الطاقة لكل وحدة حجم معالج. وتتغير هذه الدالة بتغيّر المعلمات الفردية. وعلاوةً على ذلك، تعتمد القدرة الفعلية الخارجة لكل وحدة مساحة من سطح سونوترود وحدة الموجات فوق الصوتية على المعلمات. وتُسمى القدرة الخارجة لكل وحدة مساحة من سطح السونوترود الشدة السطحية (I). وتعتمد الشدة السطحية على السعة (A)، والضغط (p)، وحجم المفاعل (VR)، ودرجة الحرارة (T)، واللزوجة (η)، وغيرها.

يعتمد تأثير التجويف المتولّد على الشدة السطحية. وترتبط نتيجة العملية بها بالطريقة نفسها. والقدرة الإجمالية الخارجة من وحدة الموجات فوق الصوتية هي حاصل ضرب الشدة السطحية (I) في مساحة السطح (S):

P [W] I [W / mm²]* S[mm²]

السعة

تصف سعة الاهتزاز المسافة (مثل 50 µm) التي يقطعها سطح السونوترود خلال زمن معين (مثل 1/20,000s عند 20kHz). وكلما زادت السعة، زاد معدل انخفاض الضغط وارتفاعه في كل شوط. وبالإضافة إلى ذلك، تزداد الإزاحة الحجمية لكل شوط، مما ينتج حجمًا أكبر للتجويف (حجم الفقاعات و/أو عددها). وعند تطبيقها على المشتتات، تُظهر السعات الأعلى قدرة أكبر على تفتيت الجسيمات الصلبة. ويعرض الجدول 1 قيمًا عامة لبعض عمليات المعالجة بالموجات فوق الصوتية.

الضغط

تعتمد نقطة غليان السائل على الضغط. وكلما ارتفع الضغط، ارتفعت نقطة الغليان، والعكس صحيح. ويسمح الضغط المرتفع بحدوث التجويف عند درجات حرارة قريبة من نقطة الغليان أو أعلى منها. كما يزيد شدة الانهيار الانفجاري الداخلي، المرتبطة بالفرق بين الضغط الساكن وضغط البخار داخل الفقاعة (راجع Vercet et al. 1999). ونظرًا إلى أن قدرة الموجات فوق الصوتية وشدتها تتغيران بسرعة مع تغير الضغط، يُفضَّل استخدام مضخة ثابتة الضغط. وعند إمداد خلية التدفق بالسائل، ينبغي أن تكون المضخة قادرة على التعامل مع تدفق السائل المحدد عند ضغوط مناسبة. وتُحدث المضخات الحجابية أو الغشائية؛ أو مضخات الأنابيب المرنة أو الخراطيم أو العصر؛ أو المضخات التمعجية؛ أو المضخات المكبسية أو ذات الكبّاس الغاطس تقلبات ضغط متناوبة. ويُفضَّل استخدام مضخات الطرد المركزي والمضخات الترسية والمضخات الحلزونية ومضخات التجويف المتقدم التي تُمدّ السائل المراد معالجته بالموجات فوق الصوتية بضغط ثابت باستمرار. (Hielscher 2005)

درجة الحرارة

عند معالجة سائل بالموجات فوق الصوتية، تنتقل القدرة إلى الوسط. وبما أن الاهتزاز المتولّد بالموجات فوق الصوتية يسبب اضطرابات واحتكاكًا، فإن السائل المعالج بالموجات فوق الصوتية – وفقًا لقانون الديناميكا الحرارية – يسخن. وقد تؤدي درجات الحرارة المرتفعة للوسط المعالج إلى إتلاف المادة وتقليل فعالية التجويف الناتج عن الموجات فوق الصوتية. وتُجهَّز خلايا التدفق المبتكرة للموجات فوق الصوتية بغلاف تبريد (انظر الصورة). وبذلك، يتاح التحكم الدقيق في درجة حرارة المادة أثناء المعالجة بالموجات فوق الصوتية. وللمعالجة بالموجات فوق الصوتية لأحجام أصغر في كأس مختبري، يُوصى باستخدام حمام ثلجي لتبديد الحرارة.

اللزوجة والتركيز

في المعالجة بالموجات فوق الصوتية، الطحن و التشتيت عمليتان تُجريان في السوائل. ويجب أن تكون الجسيمات في معلّق، مثل الماء أو الزيت أو المذيبات أو الراتنجات. وباستخدام أنظمة الموجات فوق الصوتية ذات التدفق المستمر، يصبح من الممكن معالجة مواد شديدة اللزوجة وعجينية القوام بالموجات فوق الصوتية.
يمكن تشغيل جهاز معالجة بالموجات فوق الصوتية عالي القدرة عند تراكيز مرتفعة نسبيًا من المواد الصلبة. ويعزز التركيز المرتفع فعالية المعالجة بالموجات فوق الصوتية، لأن تأثير الطحن بالموجات فوق الصوتية ينتج عن التصادم بين الجسيمات. وقد أظهرت الدراسات أن معدل تكسّر السيليكا لا يعتمد على تركيز المواد الصلبة حتى 50% بالوزن. وتُعد معالجة الخلطات الأم ذات النسبة المرتفعة جدًا من المواد المركزة إجراءً إنتاجيًا شائعًا باستخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية.

القدرة والشدة مقابل الطاقة

لا تصف الشدة السطحية والقدرة الإجمالية سوى شدة المعالجة. ويجب مراعاة حجم العينة المعالجة بالموجات فوق الصوتية وزمن التعرض عند شدة معينة لوصف عملية المعالجة بالموجات فوق الصوتية بحيث تصبح قابلة لتوسيع النطاق والتكرار. وعند إعدادات معينة للمعلمات، تعتمد نتيجة العملية، مثل حجم الجسيمات أو التحويل الكيميائي، على الطاقة لكل وحدة حجم (E/V).

النتيجة = f (E /V )

حيث إن الطاقة (E) هي حاصل ضرب القدرة الخارجة (P) في زمن التعرض (t).

E[Ws] = P[W]*t[s]

يؤدي تغيير إعدادات المعلمات إلى تغيير دالة النتيجة. وهذا بدوره يغيّر كمية الطاقة (E) المطلوبة لحجم عينة معين (V) للحصول على قيمة محددة للنتيجة. ولهذا السبب، لا يكفي تطبيق قدرة معينة من الموجات فوق الصوتية على عملية للحصول على نتيجة. ويلزم اتباع نهج أكثر تقدمًا لتحديد القدرة المطلوبة وإعدادات المعلمات التي ينبغي عندها إدخال هذه القدرة إلى مادة العملية. (Hielscher 2005)

إنتاج الإيثانول الحيوي بمساعدة الموجات فوق الصوتية

من المعروف بالفعل أن الموجات فوق الصوتية تحسّن إنتاج الإيثانول الحيوي. ويُوصى بزيادة كثافة السائل بإضافة الكتلة الحيوية للحصول على معلّق شديد اللزوجة يظل قابلًا للضخ. ويمكن للمفاعلات فوق الصوتية التعامل مع تراكيز مرتفعة نسبيًا من المواد الصلبة، بحيث تُجرى المعالجة بالموجات فوق الصوتية بأعلى كفاءة. وكلما زادت كمية المادة في المعلّق، قلّت كمية السائل الحامل المعالج، الذي لن يستفيد من المعالجة بالموجات فوق الصوتية. وبما أن إدخال الطاقة إلى سائل يسبب تسخينه وفقًا لقانون الديناميكا الحرارية، فإن ذلك يعني توجيه الطاقة فوق الصوتية إلى المادة المستهدفة قدر الإمكان. ومن خلال هذا التصميم الفعال للعملية، يُتجنب التسخين المُهدر للطاقة للسائل الحامل الزائد.
تساعد الموجات فوق الصوتية على استخلاص المادة الموجودة داخل الخلايا، وتتيحها بذلك للتخمير الإنزيمي. ويمكن للمعالجة الخفيفة بالموجات فوق الصوتية تعزيز النشاط الإنزيمي، لكن استخلاص الكتلة الحيوية يتطلب موجات فوق صوتية أشد. ولذلك، ينبغي إضافة الإنزيمات إلى معلّق الكتلة الحيوية بعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية، لأن الموجات فوق الصوتية الشديدة تُعطّل الإنزيمات، وهو تأثير غير مرغوب فيه.

النتائج الحالية التي حققها البحث العلمي:

أظهرت دراسات Yoswathana et al. (2010) بشأن إنتاج الإيثانول الحيوي من قش الأرز أن الجمع بين المعالجة المسبقة بالحمض والموجات فوق الصوتية قبل المعالجة الإنزيمية أدى إلى زيادة مردود السكر إلى ما يصل إلى 44% (على أساس قش الأرز). وهذا يُظهر فعالية الجمع بين المعالجة المسبقة الفيزيائية والكيميائية قبل التحلل المائي الإنزيمي للمواد اللجنوسليلوزية إلى سكر. 

يوضح الرسم البياني 2 بصريًا التأثيرات الإيجابية للتعريض للموجات فوق الصوتية أثناء إنتاج الإيثانول الحيوي من قش الأرز. (استُخدم الفحم النباتي لإزالة سمّية العينات المعالجة مسبقًا بالحمض/ الإنزيم والمعالجة المسبقة بالموجات فوق الصوتية.)

في دراسة حديثة أخرى، دُرس تأثير المعالجة بالموجات فوق الصوتية في مستويات إنزيم β-galactosidase خارج الخلايا وداخلها. وقد تمكّن Sulaiman et al. (2011) من تحسين إنتاجية الإيثانول الحيوي بدرجة كبيرة، باستخدام الموجات فوق الصوتية عند درجة حرارة مضبوطة لتحفيز نمو خميرة Kluyveromyces marxianus (ATCC 46537). ويخلص مؤلفو الورقة إلى أن المعالجة المتقطعة بالموجات فوق الصوتية عالية القدرة (20 kHz) عند نسب تشغيل ≤20% حفّزت إنتاج الكتلة الحيوية واستقلاب اللاكتوز وإنتاج الإيثانول في K. marxianus، عند شدة معالجة بالموجات فوق الصوتية مرتفعة نسبيًا تبلغ 11.8Wcm². وفي أفضل الظروف، عززت المعالجة بالموجات فوق الصوتية التركيز النهائي للإيثانول بنحو 3.5 أضعاف مقارنةً بالعينة الضابطة. وقد قابل ذلك تعزيز إنتاجية الإيثانول بمقدار 3.5 أضعاف، لكنه تطلّب قدرة إضافية مُدخلة تبلغ 952W لكل متر مكعب من مرق الزرع عبر المعالجة بالموجات فوق الصوتية. وكان هذا المتطلب الإضافي للطاقة ضمن المعايير التشغيلية المقبولة للمفاعلات الحيوية بالتأكيد، وكان من الممكن تعويضه بسهولة بزيادة الإنتاجية في حالة المنتجات عالية القيمة.

الخلاصة: فوائد التخمير بمساعدة الموجات فوق الصوتية

ثبت أن المعالجة بالموجات فوق الصوتية تقنية فعالة ومبتكرة لتعزيز مردود الإيثانول الحيوي. وتُستخدم الموجات فوق الصوتية أساسًا لاستخلاص المواد الموجودة داخل الخلايا من الكتلة الحيوية، مثل الذرة وفول الصويا والقش والمواد اللجنوسليلوزية أو المخلفات النباتية.

• زيادة مردود الإيثانول الحيوي
• التفتيت/ تدمير الخلايا وإطلاق المواد الموجودة داخل الخلايا
• تحسين التحلل اللاهوائي
• تنشيط الإنزيمات بالمعالجة الخفيفة بالموجات فوق الصوتية
• تحسين كفاءة العملية باستخدام معلّقات عالية التركيز

تجعل سهولة الاختبار وقابلية تكرار توسيع النطاق وسهولة التركيب (حتى في مسارات الإنتاج القائمة بالفعل) الموجات فوق الصوتية تقنية مربحة وفعالة. وتتوفر أجهزة صناعية موثوقة للمعالجة بالموجات فوق الصوتية للمعالجة التجارية، وتتيح معالجة أحجام سوائل شبه غير محدودة بالموجات فوق الصوتية.