Ултразвуково подпомагана ферментация за производство на биоетанол

Ултразвуковата ферментация може да подобри производството на биоетанол, като насърчава разграждането на сложните въглехидрати до по-прости захари, което ги прави по-лесно достъпни за превръщането им в етанол. Едновременно с това ултразвукът също подобрява ефективността на пропускливостта на клетъчната стена на дрождите, което позволява по-бързо освобождаване на етанол и увеличаване на общото производство. По този начин ултразвуковата ферментация на биоетанол води до по-високи скорости на преобразуване и подобрени добиви.

ферментация

Ферментацията може да бъде аеробна (= окислителна ферментация) или анаеробен процес, който се използва за биотехнологични приложения за превръщане на органичен материал чрез бактериални, гъбични или други биологични клетъчни култури или чрез ензими. Чрез ферментацията енергията се извлича от окисляването на органични съединения, например въглехидрати.
Захарта е най-често срещаният субстрат на ферментация, получен след ферментация в продукти като млечна киселина, лактоза, етанол и водород. За алкохолна ферментация, етанол – особено за използване като гориво, но също и за алкохолни напитки – се произвежда чрез ферментация. Когато някои щамове дрожди, като Saccharomyces cerevisiae метаболизират захарта, дрождите превръщат изходния материал в етанол и въглероден диоксид.

Химичните уравнения по-долу обобщават преобразуването:

Ако изходният материал е нишесте, например от царевица, първо нишестето трябва да се превърне в захар. За биоетанол, използван като гориво, е необходима хидролиза за преобразуване на нишесте. Обикновено хидролизата се ускорява чрез киселинно или ензимно лечение или чрез комбинация от двете. Обикновено ферментацията се извършва при около 35–40 °C.
Преглед на различни ферментационни процеси:

Храна:

• производство & Запазване
• млечни продукти (млечнокисела ферментация), например кисело мляко, мътеница, кефир
• млечно-ферментирали зеленчуци, например кимчи, мисо, нато, цукемоно, кисело зеле
• разработване на ароматни вещества, например соев сос
• разлагане на дъбилни агенти, например чай, какао, кафе, тютюн
• алкохолни напитки, например бира, вино, уиски

Наркотици:

• производство на медицински съединения, например инсулин, хиалуронова киселина

Биогаз / Етанол :

• подобряване на производството на биогаз/биоетанол

Различни научни статии и тестове в настолни и пилотни размери показват, че ултразвукът подобрява процеса на ферментация, като прави повече биомаса достъпна за ензимната ферментация. В следващия раздел ще бъдат разработени ефектите на ултразвука в течност.

Ефекти от ултразвуковата обработка на течности

Чрез високомощен/нискочестотен ултразвук могат да се генерират високи амплитуди. По този начин високомощен/нискочестотен ултразвук може да се използва за обработка на течности като смесване, емулгиране, диспергиране и деагломерация или смилане.
При ултразвук на течности с висок интензитет, звуковите вълни, които се разпространяват в течната среда, водят до редуващи се цикли на високо налягане (компресия) и ниско налягане (разреждане), със скорости, зависещи от честотата. По време на цикъла на ниско налягане ултразвуковите вълни с висока интензивност създават малки вакуумни мехурчета или кухини в течността. Когато мехурчетата достигнат обем, при който вече не могат да абсорбират енергия, те се срутват силно по време на цикъл на високо налягане. Това явление се нарича кавитация. КавитацияТоест “образуването, растежа и имплозивното колапс на мехурчета в течност. Кавитационният колапс води до интензивно локално нагряване (~5000 K), високо налягане (~1000 атм) и огромни скорости на нагряване и охлаждане (>109 K/sec)” и течни струйни потоци (~400 км/ч)". (Suslick 1998)

Има различни средства за създаване на кавитация, като например чрез дюзи за високо налягане, роторно-статорни смесители или ултразвукови процесори. Във всички тези системи входящата енергия се трансформира в триене, турбуленции, вълни и кавитация. Частта от входящата енергия, която се трансформира в кавитация, зависи от няколко фактора, описващи движението на оборудването за генериране на кавитация в течността. Интензивността на ускорението е един от най-важните фактори, влияещи върху ефективното преобразуване на енергията в кавитация. По-високото ускорение създава по-големи разлики в налягането. Това от своя страна увеличава вероятността от създаване на вакуумни мехурчета вместо създаването на вълни, разпространяващи се през течността. По този начин, колкото по-високо е ускорението, толкова по-висока е частта от енергията, която се трансформира в кавитация.
В случай на ултразвуков преобразувател, амплитудата на трептене описва интензивността на ускорението. По-високите амплитуди водят до по-ефективно създаване на кавитация. В допълнение към интензивността, течността трябва да се ускори по начин, който да създава минимални загуби по отношение на турбуленции, триене и генериране на вълни. За това оптималният начин е едностранна посока на движение. Променяйки интензивността и параметрите на процеса на ултразвук, ултразвукът може да бъде много твърд или много мек. Това прави ултразвука много универсален инструмент за различни приложения.

Меките приложения, прилагащи мека ултразвук при меки условия, включват Дегазация, Емулгиранеи ензимно активиране. Твърди приложения с ултразвук с висока интензивност/висока мощност (най-вече под повишено налягане) са мокро фрезоване, деагломерация & намаляване на размера на частиците и Разпръскване. За много приложения като Екстракция, разпадане или Сонохимия, исканият ултразвуков интензитет зависи от конкретния материал, който ще бъде ултразвуков. Чрез разнообразието от параметри, които могат да бъдат адаптирани към индивидуалния процес, ултразвукът позволява да се намери най-доброто място за всеки отделен процес.
Освен изключителното преобразуване на мощността, ултразвукът предлага голямото предимство на пълен контрол върху най-важните параметри: амплитуда, налягане, температура, вискозитет и концентрация. Това предлага възможност за регулиране на всички тези параметри с цел намиране на идеалните параметри на обработка за всеки конкретен материал. Това води до по-висока ефективност, както и до оптимизирана ефективност.

Ултразвук за подобряване на ферментационните процеси, обяснено образцово с производството на биоетанол

Биоетанолът е продукт на разлагането на биомаса или биоразградими вещества от отпадъци от анаеробни или аеробни бактерии. Произведеният етанол се използва главно като биогориво. Това прави биоетанола възобновяема и екологична алтернатива на изкопаемите горива, като природния газ.
За производството на етанол от биомаса като суровина могат да се използват захар, нишесте и лигноцелулозен материал. За промишленото производство в момента преобладават захарта и нишестето, тъй като са икономически изгодни.
Как ултразвукът подобрява индивидуалния процес на клиента със специфична суровина при дадени условия, може да бъде изпробвано много просто чрез тестове за осъществимост. На първата стъпка, ултразвукът на малко количество суровина суспензия с ултразвук лабораторно устройство ще покаже, ако ултразвукът влияе на суровината.

Тестване за осъществимост

В първата фаза на тестване е подходящо да се въведе относително голямо количество ултразвукова енергия в малък обем течност, тъй като по този начин се увеличава шансът да се види дали могат да се получат някакви резултати. Малкият обем на пробата също така съкращава времето за използване на лабораторно устройство и намалява разходите за първите тестове.
Ултразвуковите вълни се предават от повърхността на сонотрода в течността. На повърхността на сонотрода, ултразвуковият интензитет е най-интензивен. По този начин се предпочитат къси разстояния между сонотрода и ултразвуковия материал. Когато е изложен малък обем течност, разстоянието от сонотрода може да се поддържа кратко.
Таблицата по-долу показва типични нива на енергия/обем за процеси на ултразвук след оптимизация. Тъй като първите изпитания няма да се проведат в оптимална конфигурация, интензивността и времето на ултразвука с 10 до 50 пъти от типичната стойност ще покажат дали има някакъв ефект върху ултразвуковия материал или не.

Процес	Енергия/ том	Обем на пробата	Власт	Час
прост	< 100Ws/ml	10 мл	50W	< 20 сек
Средно	100Ws/mL до 500Ws/mL	10 мл	50W	20 до 100 сек
Твърд	> 500Ws/mL	10 мл	50W	>100 сек

маса 1 – Типични стойности на ултразвука след оптимизация на процеса

Действителната входяща мощност на тестовите пускания може да бъде записана чрез интегриран запис на данни (UP200Ht и UP200St), PC-интерфейс или чрез powermeter. В комбинация със записаните данни за амплитудната настройка и температура, резултатите от всяко изпитване могат да бъдат оценени и да се установи крайна линия за енергията/обема.
Ако по време на тестовете бъде избрана оптимална конфигурация, тази производителност на конфигурацията може да бъде проверена по време на стъпка на оптимизация и накрая може да бъде мащабирана до търговско ниво. За да се улесни оптимизацията, силно се препоръчва да се проучат границите на ултразвука, например температура, амплитуда или енергия/обем и за конкретни формулировки. Тъй като ултразвукът може да генерира отрицателни ефекти върху клетките, химикалите или частиците, критичните нива за всеки параметър трябва да бъдат изследвани, за да се ограничи следната оптимизация до диапазона на параметрите, където отрицателните ефекти не се наблюдават. За предпроектното проучване се препоръчват малки лабораторни или настолни единици, за да се ограничат разходите за оборудване и проби при такива изпитвания. Обикновено единиците от 100 до 1,000 вата служат много добре за целите на предпроектното проучване. (срв. Hielscher 2005)

Оптимизация

Резултатите, постигнати по време на предпроектните проучвания, могат да покажат доста висока консумация на енергия по отношение на малкия обработен обем. Но целта на теста за осъществимост е преди всичко да покаже ефектите на ултразвука върху материала. Ако при тестването на осъществимостта се наблюдават положителни ефекти, трябва да се положат допълнителни усилия за оптимизиране на съотношението енергия/обем. Това означава да се проучи идеалната конфигурация на ултразвуковите параметри, за да се постигне най-висок добив, като се използва възможно най-малко енергия, за да се направи процесът икономически най-разумен и ефективен. За да намерите оптималната конфигурация на параметрите – Получаване на планираните ползи с минимално вложено потребление на енергия – корелацията между най-важните параметри амплитуда, налягане, температура и течен съставът трябва да бъде проучен. В тази втора стъпка се препоръчва преминаването от партидно ултразвукообразуване към настройка за непрекъсната ултразвук с реактор с проточна клетка, тъй като важният параметър на налягането не може да бъде повлиян за партидно ултразвукване. По време на ултразвука в партида налягането е ограничено до налягането на околната среда. Ако процесът на ултразвук премине през камера с проточна клетка под налягане, налягането може да бъде повишено (или намалено), което като цяло се отразява на ултразвука Кавитация Драстично. С помощта на проточна клетка може да се определи корелацията между налягането и ефективността на процеса. Ултразвукови процесори между 500 вата и 2000 вата на мощността са най-подходящи за оптимизиране на процеса.

Разрастване до търговско производство

Ако е намерена оптималната конфигурация, по-нататъшното мащабиране е просто, тъй като ултразвуковите процеси са напълно възпроизводим в линеен мащаб. Това означава, че когато ултразвукът се прилага към идентична течна формулировка при идентична конфигурация на параметрите на обработката, е необходима същата енергия на обем, за да се получи идентичен резултат, независимо от мащаба на обработката. (Hielscher 2005). Това дава възможност да се приложи оптималната конфигурация на параметрите на ултразвука до пълния размер на производството. На практика обемът, който може да бъде обработен ултразвуково, е неограничен. Търговски ултразвукови системи с до 16 000 вата на единица са налични и могат да бъдат инсталирани в клъстери. Такива клъстери от ултразвукови процесори могат да бъдат инсталирани паралелно или последователно. Чрез клъстерната инсталация на ултразвукови процесори с висока мощност, общата мощност е почти неограничена, така че потоци с голям обем могат да се обработват без проблем. Също така, ако е необходимо адаптиране на ултразвуковата система, например за приспособяване на параметрите към модифицирана течна формула, това може да стане най-вече чрез смяна на сонотрод, бустер или проточна клетка. Линейната мащабируемост, възпроизводимостта и адаптивността на ултразвука правят тази иновативна технология ефективна и рентабилна.

Параметри на ултразвуковата обработка

Ултразвуковата обработка на течности се описва с редица параметри. Най-важни са амплитудата, налягането, температурата, вискозитетът и концентрацията. Резултатът от процеса, като например размера на частиците, за дадена конфигурация на параметъра е функция на енергията на обработен обем. Функцията се променя с промени в отделните параметри. Освен това, действителната изходна мощност на повърхност на сонотрода на ултразвуков блок зависи от параметрите. Изходната мощност на повърхност на сонотрода е интензитетът на повърхността (I). Повърхностният интензитет зависи от амплитудата (A), налягането (p), обема на реактора (VR), температурата (T), вискозитета (η) и други.

Въздействието на генерираната кавитация зависи от интензивността на повърхността. По същия начин резултатът от процеса корелира. Общата изходна мощност на ултразвуков блок е произведение на повърхностния интензитет (I) и повърхностната площ (S):

p [w] аз [w / Мм²]* s[Мм²]

амплитуда

Амплитудата на трептене описва начина (напр. 50 μm), по който повърхността на сонотрода се движи за дадено време (напр. 1/20 000s при 20kHz). Колкото по-голяма е амплитудата, толкова по-висока е скоростта, с която налягането се понижава и увеличава при всеки ход. В допълнение към това, обемното изместване на всеки ход се увеличава, което води до по-голям обем на кавитация (размер и/или брой на мехурчето). Когато се прилагат към дисперсии, по-високите амплитуди показват по-висока разрушителност за твърдите частици. Таблица 1 показва общи стойности за някои ултразвукови процеси.

налягане

Точката на кипене на течността зависи от налягането. Колкото по-високо е налягането, толкова по-висока е точката на кипене и обратно. Повишеното налягане позволява кавитация при температури, близки до или над точката на кипене. Той също така увеличава интензивността на имплозията, която е свързана с разликата между статичното налягане и налягането на парата вътре в балона (срв. Тъй като ултразвуковата мощност и интензитет се променят бързо с промените в налягането, за предпочитане е помпа с постоянно налягане. Когато подава течност към проточна клетка, помпата трябва да може да обработва специфичния поток на течността при подходящо налягане. Мембранни или мембранни помпи; гъвкави тръбни, маркучи или помпи за изстискване; перисталтични помпи; или буталната или буталната помпа ще създаде променливи колебания на налягането. Предпочитат се центробежни помпи, зъбни помпи, спирални помпи и помпи с прогресивна кухина, които доставят течността за ултразвук при непрекъснато стабилно налягане. (Hielscher 2005)

температура

Чрез ултразвук на течност мощността се предава в средата. Тъй като ултразвуково генерираните трептения причиняват турбуленции и триене, ултразвуковата течност – в съответствие със закона на термодинамиката – ще се загрее. Повишените температури на обработената среда могат да бъдат разрушителни за материала и да намалят ефективността на ултразвуковата кавитация. Иновативните ултразвукови поточни клетки са оборудвани с охлаждаща риза (вижте снимката). По този начин се дава точният контрол върху температурата на материала по време на ултразвукова обработка. За ултразвук на чашата с по-малки обеми се препоръчва ледена баня за разсейване на топлината.

Вискозитет и концентрация

Ултразвукова Смилане и Разпръскване са течни процеси. Частиците трябва да са в суспензия, например във вода, масло, разтворители или смоли. Чрез използването на ултразвукови проточни системи става възможно ултразвукът на много вискозен, пастообразен материал.
Ултразвуковият процесор с висока мощност може да работи при доста високи концентрации на твърди вещества. Високата концентрация осигурява ефективността на ултразвуковата обработка, тъй като ултразвуковият ефект на фрезоване се причинява от сблъсък между частиците. Изследванията показват, че степента на счупване на силициев диоксид не зависи от концентрацията на твърдо вещество до 50% от теглото. Обработката на мастер партиди със съотношение на силно концентриран материал е често срещана производствена процедура с помощта на ултразвук.

Мощност и интензивност срещу енергия

Повърхностният интензитет и общата мощност описват само интензивността на обработката. Обемът на ултразвуковата проба и времето на експозиция при определен интензитет трябва да бъдат взети предвид, за да опишат процеса на ултразвук, за да го направят мащабируем и възпроизводим. За дадена конфигурация на параметри резултатът от процеса, например размер на частиците или химическо преобразуване, ще зависи от енергията на обем (E/V).

Резултат = F (E /V )

Където енергията (E) е произведение на изходната мощност (P) и времето на експозиция (t).

E[С] = p[w]*t[s]

Промените в конфигурацията на параметрите ще променят функцията на резултата. Това от своя страна ще промени количеството енергия (E), необходимо за дадена стойност на пробата (V), за да се получи конкретна стойност на резултата. Поради тази причина не е достатъчно да се приложи определена мощност на ултразвука към даден процес, за да се получи резултат. Необходим е по-сложен подход за идентифициране на необходимата мощност и конфигурацията на параметрите, при която мощността трябва да бъде поставена в технологичния материал. (Hielscher 2005)

Ултразвуково подпомагано производство на биоетанол

Вече е известно, че ултразвукът подобрява производството на биоетанол. Препоръчително е течността да се сгъсти с биомаса до силно вискозна суспензия, която все още може да се изпомпва. Ултразвуковите реактори могат да се справят с доста високи концентрации на твърди вещества, така че процесът на ултразвук да може да се изпълнява най-ефективно. Колкото повече материал се съдържа в суспензията, толкова по-малко течност носител, която няма да се възползва от процеса на ултразвук, ще бъде обработена. Тъй като въвеждането на енергия в течност причинява нагряване на течността по закон на термодинамиката, това означава, че ултразвуковата енергия се прилага към целевия материал, доколкото е възможно. Чрез такъв ефективен дизайн на процеса се избягва разточителното нагряване на излишната носеща течност.
Ултразвукът подпомага Екстракция на вътреклетъчния материал и по този начин го прави достъпен за ензимната ферментация. Лекото ултразвуково лечение може да засили ензимната активност, но за извличане на биомаса ще е необходим по-интензивен ултразвук. Следователно ензимите трябва да се добавят към суспензията от биомаса след ултразвука, тъй като интензивният ултразвук инактивира ензимите, което не е желан ефект.

Текущи резултати, постигнати чрез научни изследвания:

Проучванията на Yoswathana et al. (2010) относно производството на биоетанол от оризова слама показват, че комбинацията от киселинна предварителна обработка и ултразвукова преди ензимна обработка води до повишен добив на захар до 44% (на базата на оризова слама). Това показва ефективността на комбинацията от физическа и химична предварителна обработка преди ензимната хидролиза на лигноцелулозния материал до захар.

Графика 2 илюстрира графично положителните ефекти от ултразвуковото облъчване по време на производството на биоетанол от оризова слама. (Въгленът е използван за детоксикация на предварително обработените проби от предварителна обработка с киселина/ензими и ултразвукова предварителна обработка.)

В друго скорошно проучване е изследвано влиянието на ултразвука върху извънклетъчното и вътреклетъчното ниво на ензима β-галактозидаза. Sulaiman et al. (2011) могат значително да подобрят производителността на производството на биоетанол, като използват ултразвук при контролирана температура, стимулираща растежа на дрождите на Kluyveromyces marxianus (ATCC 46537). Авторите на статията обобщават, че периодичната ултразвук с мощен ултразвук (20 kHz) при работни цикли от ≤20% стимулира производството на биомаса, метаболизма на лактозата и производството на етанол при K. marxianus при относително висок интензитет на ултразвука от 11,8 Wcm⁻². При най-добри условия ултразвукът повишава крайната концентрация на етанол почти 3,5 пъти спрямо контрола. Това съответства на 3,5-кратно увеличение на производителността на етанола, но изисква 952 W допълнителна входяща мощност на кубичен метър бульон чрез ултразвук. Това допълнително изискване за енергия със сигурност е в рамките на приемливите експлоатационни норми за биореакторите и за продукти с висока стойност може лесно да бъде компенсирано от повишената производителност.

Заключение: Ползи от ултразвуково подпомаганата ферментация

Ултразвуковото лечение е доказано като ефективна и иновативна техника за повишаване на добива на биоетанол. Основно ултразвукът се използва за извличане на вътреклетъчен материал от биомаса, като царевица, соя, слама, лигноцелулозен материал или растителни отпадъчни материали.

• Увеличаване на добива на биоетанол
• Дезинтерация/ Клетъчно разрушаване и освобождаване на вътреклетъчен материал
• Подобрено анаеробно разлагане
• Активиране на ензимите чрез леко ултразвук
• Подобряване на ефективността на процеса чрез суспензии с висока концентрация

Простото тестване, възпроизводимото мащабиране и лесният монтаж (също и във вече съществуващи производствени потоци) правят ултразвука печеливша и ефективна технология. Предлагат се надеждни индустриални ултразвукови процесори за търговска обработка, които правят възможно ултразвука на практически неограничени обеми течности.