Ферментация, подпомагана с ултразвук, за производство на биоетанол

Ферментацията, подпомагана с ултразвук, може да подобри производството на биоетанол, като стимулира разграждането на сложните въглехидрати до по-прости захари и ги прави по-лесно достъпни за превръщане в етанол от дрождите. Едновременно с това ултразвуковата обработка подобрява и ефективността на пропускливостта на клетъчната стена на дрождите, което позволява по-бързо освобождаване на етанол и увеличаване на общото производство. По този начин ферментацията за получаване на биоетанол, подпомагана с ултразвук, води до по-високи степени на превръщане и повишени добиви.

Ферментация

Ферментацията може да бъде аеробен (= окислителна ферментация) или анаеробен процес, който се използва в биотехнологични приложения за преобразуване на органичен материал чрез бактериални, гъбни или други биологични клетъчни култури или чрез ензими. При ферментацията се извлича енергия от окисляването на органични съединения, например въглехидрати.
Захарта е най-разпространеният субстрат за ферментация, при която се получават продукти като млечна киселина, лактоза, етанол и водород. При алкохолната ферментация се произвежда етанол – особено за използване като гориво, но също и за алкохолни напитки. Когато определени щамове дрожди, като Saccharomyces cerevisiae, метаболизират захарта, клетките на дрождите превръщат изходния материал в етанол и въглероден диоксид.

Химичните уравнения по-долу обобщават превръщането:

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 превръщане на нишестето. Обикновено хидролизата се ускорява чрез киселинна или ензимна обработка или чрез комбинация от двете. Обичайно ферментацията се извършва при около 35–40 °C.
Преглед на различни ферментационни процеси:

Храни :

• производство & консервиране
• млечни продукти (млечнокисела ферментация), например кисело мляко, мътеница, кефир
• млечнокисело ферментирали зеленчуци, например кимчи, мисо, натто, цукемоно, кисело зеле
• образуване на ароматни вещества, например соев сос
• разграждане на дъбилни вещества, например чай, какао, кафе, тютюн
• алкохолни напитки, например бира, вино, уиски

Лекарства :

• производство на съединения за медицински цели, например инсулин, хиалуронова киселина

Биогаз/ Етанол :

• подобряване на производството на биогаз/ биоетанол

Различни научни публикации и изпитвания с настолни и пилотни установки показват, че ултразвукът подобрява ферментационния процес, като прави повече биомаса достъпна за ензимната ферментация. В следващия раздел ще бъдат разгледани подробно въздействията на ултразвука в течност.

Въздействия на ултразвуковата обработка на течности

С ултразвук с висока мощност/ ниска честота могат да се генерират високи амплитуди. По този начин ултразвукът с висока мощност/ ниска честота може да се използва за обработка на течности чрез смесване, емулгиране, диспергиране и деагломерация или смилане.
При ултразвукова обработка на течности с висок интензитет звуковите вълни, които се разпространяват в течната среда, предизвикват редуващи се цикли на високо налягане (сгъстяване) и ниско налягане (разреждане), чиято честота на повторение зависи от честотата на ултразвука. По време на цикъла на ниско налягане ултразвуковите вълни с висок интензитет създават малки вакуумни мехурчета или кухини в течността. Когато мехурчетата достигнат обем, при който вече не могат да поглъщат енергия, те колапсират бурно по време на цикъл на високо налягане. Това явление се нарича кавитация. Кавитацията, тоест „образуването, нарастването и имплозивният колапс на мехурчета в течност. Кавитационният колапс предизвиква интензивно локално нагряване (~5000 K), високи налягания (~1000 atm) и огромни скорости на нагряване и охлаждане (>109 K/sec)“ и течни струи (~400 km/h)“. (Suslick 1998)

Съществуват различни средства за създаване на кавитация, например дюзи с високо налягане, роторно-статорни смесители или ултразвукови процесори. Във всички тези системи входящата енергия се преобразува в триене, турбулентност, вълни и кавитация. Делът на входящата енергия, който се преобразува в кавитация, зависи от няколко фактора, описващи движението на оборудването, генериращо кавитация, в течността. Големината 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 за създаване на вакуумни мехурчета вместо вълни, разпространяващи се в течността. Следователно, колкото по-високо е ускорението, толкова по-голям е делът на енергията, който се преобразува в кавитация.
При ултразвуков преобразувател амплитудата на трептене описва големината на ускорението. По-високите амплитуди водят до по-ефективно създаване на кавитация. Освен големината на ускорението, течността трябва да се ускорява по начин, който създава минимални загуби от турбулентност, триене и генериране на вълни. За тази цел оптималният начин е движение в една посока. Чрез промяна на интензитета и параметрите на процеса на ултразвукова обработка ултразвукът може да действа много силно или много щадящо. Това прави ултразвука изключително универсален инструмент за различни приложения.

Щадящите приложения, при които се прилага умерена ултразвукова обработка при меки условия, включват дегазиране, емулгиране и активиране на ензими. Интензивните приложения с ултразвук с висок интензитет/ висока мощност (предимно при повишено налягане) са мокро смилане, деагломерация и намаляване на размера на частиците, както и диспергиране. За много приложения, като екстракция, дезинтеграция или сонохимия, необходимият ултразвуков интензитет зависи от конкретния материал, който ще се обработва с ултразвук. Благодарение на разнообразието от параметри, които могат да се адаптират към отделния процес, ултразвукът позволява да се намери оптималната работна точка за всеки отделен процес.
Освен изключително преобразуване на мощността, ултразвуковата обработка предлага голямото предимство на пълен контрол върху най-важните параметри: амплитуда, налягане, температура, вискозитет и концентрация. Това дава възможност всички тези параметри да се настройват с цел намиране на идеалните параметри на обработка за всеки конкретен материал. Резултатът е по-висока резултатност, както и оптимизирана ефективност.

Ултразвук за подобряване на ферментационните процеси, обяснен чрез примера с производството на биоетанол

Биоетанолът е продукт от разграждането на биомаса или биоразградима материя от отпадъци чрез 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 производство на етанол от биомаса като суровина могат да се използват захар, нишесте и лигноцелулозен материал. При производството в промишлен мащаб понастоящем преобладават захарта и нишестето, тъй като са икономически изгодни.
Как ултразвукът подобрява процес, съобразен с конкретен клиент и конкретна суровина при дадени условия, може да се провери много лесно чрез изпитвания за оценка на приложимостта. Като първа стъпка ултразвуковата обработка на малко количество суспензия от суровината с ултразвуков лабораторен уред ще покаже дали ултразвукът оказва въздействие върху суровината.

Изпитвания за оценка на приложимостта

В първата фаза на изпитване е подходящо да се въведе сравнително голямо количество ултразвукова енергия в малък обем течност, тъй като по този начин се увеличава вероятността да се установи дали могат да се получат някакви резултати. Малкият обем на пробата също съкращава времето за използване на лабораторен уред и намалява разходите за първите изпитвания.
Ултразвуковите вълни се предават от повърхността на сонотрода в течността. Под повърхността на сонотрода ултразвуковият интензитет е най-висок. Затова се предпочитат малки разстояния между сонотрода и материала, обработван с ултразвук. Когато се обработва малък обем течност, разстоянието от сонотрода може да се поддържа малко.
Таблицата по-долу показва типични нива на енергия/обем за процеси на ултразвукова обработка след оптимизация. Тъй като първите изпитвания няма да се провеждат при оптимална конфигурация, интензитет и време на ултразвуковата обработка, надвишаващи типичната стойност от 10 до 50 пъти, ще покажат дали има някакво въздействие върху обработвания с ултразвук материал.

Процес	Енергия/ Обем	Обем на пробата	Мощност	Време
Лек	< 100Ws/mL	10mL	50W	< 20 sec
Умерен	100Ws/mL до 500Ws/mL	10mL	50W	20 до 100 sec
Интензивен	> 500Ws/mL	10mL	50W	>100 sec

Таблица 1 – Типични стойности за ултразвукова обработка след оптимизация на процеса

Действителната входяща мощност при изпитванията може да се записва чрез интегрирано записване на данни (UP200Ht и UP200St), интерфейс за компютър или чрез ватметър. В съчетание със записаните данни за настройката на амплитудата и температурата могат да се оценят резултатите от всяко изпитване и да се установи базова стойност за енергия/обем.
Ако по време на изпитванията е избрана оптимална конфигурация, работните характеристики на тази конфигурация могат да се проверят в етап на оптимизация и накрая да се увеличи мащабът до промишлено ниво. За улесняване на оптимизацията силно се препоръчва да се изследват и границите на ултразвуковата обработка, например температурата, амплитудата или енергията/обема за конкретни състави. Тъй като ултразвукът може да предизвика отрицателни въздействия върху клетки, химични вещества или частици, трябва да се изследват критичните нива за всеки параметър, за да се ограничи последващата оптимизация до диапазона на параметрите, в който не се наблюдават отрицателни въздействия. За проучването на приложимостта се препоръчват малки лабораторни или настолни уреди, за да се ограничат разходите за оборудване и проби при такива изпитвания. Като цяло уредите с мощност от 100 до 1 000 вата служат много добре за целите на проучването на приложимостта. (вж. Hielscher 2005)

Оптимизация

Резултатите, постигнати при проучванията на приложимостта, може да показват доста високо потребление на енергия спрямо малкия обработен обем. Но целта на изпитването за оценка на приложимостта е преди всичко да покаже въздействията на ултразвука върху материала. Ако при изпитванията за оценка на приложимостта са наблюдавани положителни въздействия, трябва да се положат допълнителни усилия за оптимизиране на съотношението енергия/обем. Това означава да се изследва идеалната конфигурация на ултразвуковите параметри за постигане на най-високия добив с възможно най-малко енергия, така че процесът да бъде икономически най-целесъобразен и ефективен. За да се намери оптималната конфигурация на параметрите – постигане на предвидените ползи с минимален енергиен разход – трябва да се изследва взаимовръзката между най-важните параметри амплитуда, налягане, температура и състав на течността . На този втори етап се препоръчва преминаване от периодична ултразвукова обработка към установка за непрекъсната ултразвукова обработка с реактор с проточна клетка, тъй като важният параметър налягане не може да се променя при периодичната ултразвукова обработка. При ултразвукова обработка на партида налягането е ограничено до налягането на околната среда. Ако процесът на ултразвукова обработка протича в камера на проточна клетка, позволяваща работа под налягане, налягането може да се повиши (или понижи), което по принцип влияе върху ултразвуковата кавитация драстично. Чрез използване на проточна клетка може да се определи взаимовръзката между налягането и ефективността на процеса. Ултразвуковите процесори с мощност между 500 вата и 2000 вата са най-подходящи за оптимизиране на процес.

Увеличаване на мащаба до промишлено производство

Ако е намерена оптималната конфигурация, по-нататъшното увеличаване на мащаба е лесно, тъй като ултразвуковите процеси са напълно възпроизводими при линейно увеличаване на мащаба. Това означава, че когато ултразвукът се прилага към течност с идентичен състав при идентична конфигурация на параметрите на обработка, за получаване на идентичен резултат е необходима една и съща енергия на единица обем независимо от мащаба на обработката. (Hielscher 2005). Това позволява оптималната конфигурация на ултразвуковите параметри да се приложи при производство в пълен мащаб. На практика обемът, който може да се обработва с ултразвук, е неограничен. Предлагат се промишлени ултразвукови системи с мощност до 16 000 вата на уред, които могат да се инсталират в клъстери. Такива клъстери от ултразвукови процесори могат да се инсталират паралелно или последователно. Чрез инсталиране на ултразвукови процесори с висока мощност в клъстери общата мощност е почти неограничена, така че потоци с голям обемен дебит могат да се обработват безпроблемно. Дори ако е необходимо адаптиране на ултразвуковата система, например за настройване на параметрите към променен състав на течността, това в повечето случаи може да се направи чрез смяна на сонотрода, усилвателя на амплитудата или проточната клетка. Линейното увеличаване на мащаба, възпроизводимостта и адаптивността на ултразвука правят тази иновативна технология ефективна и икономически изгодна.

Параметри на ултразвуковата обработка

Ултразвуковата обработка на течности се описва чрез редица параметри. Най-важни са амплитудата, налягането, температурата, вискозитетът и концентрацията. Резултатът от процеса, например размерът на частиците, при дадена конфигурация на параметрите е функция на енергията на единица обработен обем. Функцията се променя при изменения на отделните параметри. Освен това действителната изходна мощност на единица площ от повърхността на сонотрода на ултразвуков уред зависи от параметрите. Изходната мощност на единица площ от повърхността на сонотрода е повърхностният интензитет (I). Повърхностният интензитет зависи от амплитудата (A), налягането (p), обема на реактора (VR), температурата (T), вискозитета (η) и други параметри.

Въздействието на генерираната кавитация зависи от повърхностния интензитет. Резултатът от процеса е свързан по същия начин. Общата изходна мощност на ултразвуков уред е произведението от повърхностния интензитет (I) и площта на повърхността (S):

P [W] I [W / mm²]* S[mm²]

Амплитуда

Амплитудата на трептене описва пътя (например 50 µm), който повърхността на сонотрода изминава за дадено време (например 1/20 000s при 20kHz). Колкото по-голяма е амплитудата, толкова по-висока е скоростта, с която налягането се понижава и повишава при всеки ход. Освен това обемното изместване при всеки ход се увеличава, което води до по-голям кавитационен обем (размер и/или брой на мехурчетата). При прилагане върху дисперсии по-високите амплитуди имат по-силно разрушително въздействие върху твърдите частици. Таблица 1 показва общи стойности за някои ултразвукови процеси.

Налягане

Температурата на кипене на течността зависи от налягането. Колкото по-високо е налягането, толкова по-висока е температурата на кипене и обратно. Повишеното налягане позволява кавитация при температури, близки до или над температурата на кипене. То също увеличава интензитета на имплозията, който е свързан с разликата между статичното налягане и налягането на парите вътре в мехурчето (вж. Vercet et al. 1999). Тъй като ултразвуковата мощност и интензитет се променят бързо при промени в налягането, за предпочитане е помпа с постоянно налягане. При подаване на течност към проточна клетка помпата трябва да може да осигурява конкретния дебит на течността при подходящи налягания. Диафрагмените или мембранните помпи; помпите с гъвкава тръба, маркуч или притискане; перисталтичните помпи; или буталните или плунжерните помпи създават редуващи се колебания на налягането. Предпочитат се центробежни помпи, зъбни помпи, спирални помпи и ексцентрикови винтови помпи, които подават течността за ултразвукова обработка при непрекъснато стабилно налягане. (Hielscher 2005)

Температура

При ултразвукова обработка на течност мощността се предава в средата. Тъй като генерираното с ултразвук трептене предизвиква турбулентност и триене, обработваната с ултразвук течност – в съответствие със закона на термодинамиката – се нагрява. Повишените температури на обработваната среда могат да имат разрушително въздействие върху материала и да намалят ефективността на ултразвуковата кавитация. Иновативните ултразвукови проточни клетки са оборудвани с охлаждаща риза (вижте изображението). Това осигурява точен контрол върху температурата на материала по време на ултразвуковата обработка. За ултразвукова обработка на по-малки обеми в лабораторна чаша се препоръчва ледена баня за отвеждане на топлината.

Вискозитет и концентрация

Ултразвуковото смилане и диспергиране са процеси в течна среда. Частиците трябва да са в суспензия, например във вода, масло, разтворители или смоли. Чрез използване на ултразвукови проточни системи става възможна ултразвуковата обработка на много вискозен, пастообразен материал.
Ултразвуков процесор с висока мощност може да работи при сравнително високи концентрации на твърди вещества. Високата концентрация осигурява ефективността на ултразвуковата обработка, тъй като ефектът на ултразвуковото смилане се причинява от сблъсъци между частиците. Изследванията показват, че скоростта на раздробяване на силициевия диоксид не зависи от концентрацията на твърдата фаза до 50% по маса. Обработката на мастербачи с висока концентрация на материала е обичайна производствена процедура с използване на ултразвукова обработка.

Мощност и интензитет спрямо енергия

Повърхностният интензитет и общата мощност описват само интензитета на обработката. За да се опише процес на ултразвукова обработка така, че да може да се увеличава мащабът му и да бъде възпроизводим, трябва да се вземат предвид обемът на обработваната с ултразвук проба и времето на въздействие при определен интензитет. При дадена конфигурация на параметрите резултатът от процеса, например размерът на частиците или химичното превръщане, ще зависи от енергията на единица обем (E/V).

Резултат = f (E /V )

Където енергията (E) е произведението от изходната мощност (P) и времето на въздействие (t).

E[Ws] = 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 даден обем на пробата (V), за да се получи конкретна стойност на резултата. Поради тази причина не е достатъчно да се приложи определена ултразвукова мощност към процес, за да се получи резултат. Необходим е по-задълбочен подход, за да се определят необходимата мощност и конфигурацията на параметрите, при която тази мощност трябва да се въведе в обработвания материал. (Hielscher 2005)

Производство на биоетанол, подпомагано с ултразвук

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 обработват сравнително високи концентрации на твърди вещества, така че процесът на ултразвукова обработка да се провежда с най-висока ефективност. Колкото повече материал се съдържа в суспензията, толкова по-малко течност носител, която няма да има полза от процеса на ултразвукова обработка, ще бъде обработвана. Тъй като въвеждането на енергия в течност предизвиква нагряване на течността съгласно закона на термодинамиката, това означава, че ултразвуковата енергия се прилага върху целевия материал във възможно най-голяма степен. Чрез такова ефективно проектиране на процеса се избягва ненужното нагряване на излишната течност носител.
Ултразвукът подпомага екстракцията на вътреклетъчния материал и по този начин го прави достъпен за ензимната ферментация. Умерената ултразвукова обработка може да повиши ензимната активност, но за екстракция на биомаса ще е необходим по-интензивен ултразвук. Следователно ензимите трябва да се добавят към суспензията от биомаса след ултразвуковата обработка, тъй като интензивният ултразвук инактивира ензимите, което е нежелан ефект.

Актуални резултати, постигнати чрез научни изследвания:

Изследванията на Yoswathana et al. (2010), свързани с производството на биоетанол от оризова слама, показват, че комбинацията от киселинна предварителна обработка и ултразвукова обработка преди ензимната обработка води до повишен добив на захар до 44% (на база оризова слама). Това показва ефективността на комбинацията от физична и химична предварителна обработка преди ензимната хидролиза на лигноцелулозен материал до захар. 

Диаграма 2 представя графично положителните въздействия на ултразвуковото облъчване при производството на биоетанол от оризова слама. (За детоксикация на пробите, предварително обработени чрез киселинна/ ензимна предварителна обработка и ултразвукова предварителна обработка, са използвани дървени въглища.)

В друго скорошно изследване е проучено влиянието на ултразвуковата обработка върху извънклетъчните и вътреклетъчните нива на ензима β-галактозидаза. Sulaiman et al. (2011) успяват съществено да подобрят производителността при производството на биоетанол, като използват ултразвук при контролирана температура, стимулиращ растежа на дрождите Kluyveromyces marxianus (ATCC 46537). Авторите на публикацията обобщават, че периодичното прилагане на мощен ултразвук (20 kHz) с коефициент на запълване ≤20% стимулира производството на биомаса, метаболизма на лактозата и производството на етанол при K. marxianus при сравнително висок интензитет на ултразвуковата обработка от 11,8Wcm². При най-добрите условия ултразвуковата обработка повишава крайната концентрация на етанол почти 3,5 пъти спрямо контролата. Това съответства на 3,5-кратно повишаване на производителността при получаване на етанол, но изисква 952W допълнителна входяща мощност на кубичен метър културална течност чрез ултразвукова обработка. Тази допълнителна потребност от енергия със сигурност е в рамките на приемливите експлоатационни норми за биореактори и при продукти с висока стойност може лесно да се компенсира от повишената производителност.

Заключение: Ползи от ферментацията, подпомагана с ултразвук

Доказано е, че ултразвуковата обработка е ефективна и иновативна техника за повишаване на добива на биоетанол. Ултразвукът се използва предимно за екстракция на вътреклетъчен материал от биомаса, като царевица, соя, слама, лигноцелулозен материал или растителни отпадъчни материали.

• Повишаване на добива на биоетанол
• Дезинтеграция/ Разрушаване на клетките и освобождаване на вътреклетъчен материал
• Подобрено анаеробно разграждане
• Активиране на ензими чрез умерена ултразвукова обработка
• Подобряване на ефективността на процеса чрез суспензии с висока концентрация

Лесното изпитване, възпроизводимото увеличаване на мащаба и лесният монтаж (също и във вече съществуващи производствени потоци) правят ултразвуковата технология рентабилна и ефективна. Предлагат се надеждни промишлени ултразвукови процесори за производствена обработка, които позволяват ултразвукова обработка на практически неограничени обеми течност.