Ултразвуковата Assisted Ферментация за биоетанол производство

ферментация

Ферментацията може да бъде аеробна (= оксидативен ферментация) или анаеробен процес, който се използва за биотехнологични приложения за преобразуване на органичен материал от бактериална, гъбична или други биологични клетъчни култури или чрез ензими. Чрез ферментация, енергията се извлича от окисляването на органични съединения, например въглехидрати.

Захарта е най-честата субстрата на ферментация, което води след ферментация в продукти, като например млечна киселина, лактоза, етанол и водород. За алкохолна ферментация, етанол - особено за използване като гориво, но също така и за алкохолни напитки – се произвежда чрез ферментация. Когато някои щамове дрожди, като например Saccharomyces cerevisiae, метаболизма на захар, дрождевите клетки превръщат изходния материал в етанол и въглероден диоксид.

химични уравнения по-долу обобщават превръщането:

Ако изходният материал е нишесте, например от царевица, първо нишестето трябва да се преобразува в захар. За биоетанол, използван като гориво, се изисква хидролиза за превръщането на нишесте. Обикновено хидролизата се ускори чрез киселинна или ензимна обработка, или чрез комбинация от двете. Обикновено, ферментацията се извършва при около 35-40 ° С.
Обзор върху различни ферментационни процеси:

Храна :

• производство & запазване
• млечни продукти (ферментация млечна киселина), например кисело мляко, мътеница, кефир
• млечна ферментирали зеленчуци, например Kimchi, MISO, Natto, tsukemono, зеле
• развитие на ароматни съединения, например соев сос
• разлагане на дъбилни вещества, например чай, какао, кафе, тютюн
• алкохолни напитки, например бира, вино, уиски

Лекарства:

• производство на медицински съединения, например инсулин, хиалуронова киселина

Биогаз / етанол:

• подобряване на биогаз / производство на биоетанол

Различни научни статии и изследвания в пейка-отгоре и пилотен размер са показали, че ултразвук подобрява процеса на ферментация чрез предоставяне на повече биомаса за ферментация ензимната. В следващия раздел, ще бъдат разработени на ефектите на ултразвук в течност.

Ефекти на ултразвукова обработка Течен

Чрез висока мощност / ниска честота ултразвук могат да бъдат генерирани високите амплитуди. По този начин, с висока мощност / ниска честота ултразвук може да се използва за обработка на течности, такива като смесване, емулгиране, диспергиране и деагломерация или смилане.
Когато соникация течности при висок интензитет, на звукови вълни, които се разпространяват в течна среда водят до променлив високо налягане (натиск) и ниско налягане (разрежението) цикъла, с проценти в зависимост от честотата. По време на цикъла на ниско налягане, висока интензивност ултразвукови вълни се създадат малки мехурчета вакуум или кухини в течността. Когато мехурчетата достигат обем, при които те вече не могат да абсорбират енергия, те колапс бурно по време на цикъла на високо налягане. Това явление се нарича кавитация. кавитация, това е “за образуване, растеж и имплозията разпадането на мехурчета в течност. Cavitational колапс произвежда интензивно локално отопление (~ 5000 K), високо налягане (~ 1000 атмосфери) и огромен отопление и охлаждане проценти (>109 K / сек)” и течни струйни потоци (~ 400 km / h) ". (Suslick 1998)

Има различни начини за създаване на кавитация, например чрез дюзи за високо налягане, ротор-статорни миксери или ултразвукови процесори. Във всички тези системи входната енергия се трансформира в триене, турбуленции, вълни и кавитация. Частта от входната 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 ефективната трансформация на енергията в кавитация. По-високото ускорение създава по-големи разлики в налягането. Това на свой ред увеличава вероятността за създаване на вакуумни мехурчета вместо създаване на вълни, разпространяващи се през течността. По този начин, колкото по-високо е ускорението, толкова по-голяма е делът на енергията, която се трансформира в кавитация.
В случай на ултразвуков трансдюсер, амплитудата на колебание описва интензитетът на ускорение. По-високи амплитуди да доведе до по-ефективно създаване на кавитация. В допълнение към интензивността, течността трябва да се ускори по начин да се създаде минимални загуби по отношение на турбуленции, триенето и поколение вълна. За това, оптималния начин е едностранно посока на движение. Промяна на силата и параметрите на процеса на обработка с ултразвук, ултразвук може да бъде много трудно или много мека. Това прави ултразвук много гъвкав инструмент за различни приложения.

Меки приложения, прилагащи лека обработка с ултразвук при меки условия, включват дегазация, емулгиранеИ ензимна активация. Твърди приложения с висока интензивност / висока мощност ултразвук (предимно при повишено налягане) са Мокро смилане, агломерати & намаляване на размера на частиците, и Диспергиращи, В продължение на много приложения, като например екстракция, Разпадане или SonochemistryУлтразвуковият интензивността поиска зависи от конкретния материал, който се обработва с ултразвук. С разнообразието от параметри, които могат да бъдат адаптирани към индивидуалните процес, ултразвук позволява намирането на сладко място за всеки отделен процес.
Освен изключителен преобразуване на енергията, ултразвук предлага голямото предимство на пълен контрол над най-важните параметри: амплитуда, налягане, температура, вискозитет, и концентрацията. Това дава възможност да се коригират всички тези параметри, с цел да се намери идеалните параметри за преработка на всеки конкретен материал. Това води до по-висока ефективност, както в оптимизирано ефективност.

Блокада за подобряване на процесите на ферментация, обясни примерно с производството на биоетанол

Биоетанол е продукт на разлагане на биомаса или биоразградими въпрос на отпадъци от анаеробни или аеробни бактерии. Полученият етанол се използва главно като биогориво. Това прави биоетанол възобновяем и екологична алтернатива на изкопаемите горива, като например природен газ.
За производството на етанол от биомаса, захар, нишесте, и лигноцелулозни материали могат да бъдат използвани като изходна суровина. За промишлено производство размер, захар и нишесте в момента са преобладаващо като те са икономически благоприятно.
Как ултразвук подобрява процес клиент-лице с конкретна суровина при определени условия може да бъде съден по много прост от тестове за осъществимост. На първа стъпка, Ултразвуковата вана на малко количество от суровината кашата с ултразвукова лабораторно устройство ще покаже, ако ултразвук се отразява на суровината.

Предпроектно, извършваща

В първата фаза тестване, той е подходящ за въвеждане на относително високо количество на ултразвукова енергия в малък обем течност като по този начин се увеличава възможността да се види дали могат да бъдат получени резултати. малък обем от пробата също скъсява времето с помощта на лаборатория устройство и съкращава разходите за първите тестове.
Ултразвуковите вълни се предават от повърхността на издатината е в течността. Beneth повърхността на издатина, интензитетът на ултразвук е най-интензивен. По този начин, са предпочитани къси разстояния между издатина и обработва с ултразвук материал. Когато малък обем течност е изложено, разстоянието от издатината може да се съхранява по-малко.
Таблицата по-долу показва типичните нива на енергия / обем за обработка с ултразвук, след процеси оптимизация. Тъй като първите опити няма да работят при оптимална конфигурация, интензивност ултразвук и време от 10 до 50 пъти на типична стойност ще покаже дали има някакъв ефект на ултразвук материал или не.

процес	Енергия/ сила на звука	Обем на извадката	мощност	път
прост	< 100Ws / мл	10 ml	50W	< 20 сек
среда	100Ws / мл до 500Ws / мл	10 ml	50W	20 до 100 сек
Твърд	> 500Ws / мл	10 ml	50W	>100 сек

маса 1 – Типични стойности за обработка с ултразвук след оптимизиране на процесите

действителното въвеждане на мощността на пистите от тестовете могат да бъдат записани чрез интегриран запис на данни (Uf200 ः т и UP200St), PC-интерфейс или от PowerMeter. В комбинация със записаните данни за настройка на амплитудата и температура, резултатите от всеки процес могат да бъдат оценени и може да се установи долна линия на енергия / обем.
Ако по време на тестовете е избрана оптимална конфигурация, тази конфигурация може да бъде проверена по време на стъпка за оптимизиране и може да бъде окончателно изместена до търговско ниво. За да се улесни оптимизацията, се препоръчва да се изследват границите на ултразвук, например температура, амплитуда или енергия / обем 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 следващата оптимизация до диапазона на параметрите, където не се наблюдават отрицателните ефекти. За проучването за осъществимост се препоръчва да се ограничат разходите за оборудване и проби при такива изпитвания. Обикновено 100 до 1000 вата единици обслужват много добре целите на проучването за осъществимост. (виж Hielscher 2005)

Оптимизация

Постигнатите през проучванията за осъществимост, резултатите могат да покажат доста висок разход на енергия по отношение на малкия обем лекува. Но целта на теста за осъществимост е преди всичко да се покаже въздействието на ултразвук, за да материала. Ако в настъпили осъществимост тестване положителен ефект, трябва да се положат допълнителни усилия за оптимизиране на съотношението на енергия / обем. Това означава да се изследва идеална конфигурация на ултразвуковите параметри, за да се постигне най-висок добив, като се използва по-малко енергия, е възможно да се направи процеса по икономически най-разумен и ефективен. За оптимална конфигурация параметър – получаване на предвидените ползи с минимална консумирана енергия – корелацията между най-важните параметри амплитуда, налягане, температура и течност състав, трябва да се изследва. В този втори етап се препоръчва промяна от партида ултразвук за настройка непрекъснато ултразвук с клетка поток реактор като важен параметър на налягане не може да се повлияе за партида ултразвук. По време на обработка с ултразвук в една партида, налягането се ограничава до налягането на околната среда. Ако процесът на обработка с ултразвук преминава pressurizable клетка поток камера, налягането може да бъде повишена (или намалено), който като цяло засяга Ултразвуково кавитация драстично. Чрез използване на клетка на потока, съответствието между налягане и ефективността на процеса може да се определи. Ултразвукови процесори между 500 вата и 2000 вата на мощност са най-подходящи за оптимизиране на процес.

Scale-До производство с търговска цел

Ако е установено, оптималната конфигурация, по-нататъшното мащаб действия е прост като ултразвукови процеси напълно възпроизводима върху линейна скала, Това означава, че когато ултразвукът е приложен към идентична течна формулировка при еднаква конфигурация на параметрите на обработка, същата енергия на обем е необходима, за да се получи идентичен резултат, независим от мащаба на обработката. (Hielscher 2005). Това прави възможно реализирането на оптималната конфигурация на параметрите на ултразвука до пълния производствен размер. На практика обемът, който може да се обработва ултразвуково, е неограничен. Търговски ултразвукови системи с до 16,000 вата за единица са на разположение и може да бъде инсталиран в клъстери. Такива групи от ултразвукови процесори могат да бъдат инсталирани успоредно или последователно. До клъстер-мъдър монтирането на мощни ултразвукови процесори, общата мощност е почти неограничен, така че потоците на големи обеми могат да се обработват без проблем. Също така, ако се изисква адаптиране на ултразвукова система, например да регулира параметрите на модифициран течен състав, това може да се направи най-вече чрез промяна издатина, бустер или поточна клетка. Линейният мащабируемост, възпроизводството и адаптивността на ултразвук направи тази иновативна технология, ефективен и рентабилен.

Параметри на ултразвукова обработка

Ултразвукова обработка течност е описан от редица параметри. Най-важният са амплитуда, налягане, температура, вискозитет и концентрация. Резултатът от процес, като размер на частиците, за дадена конфигурация параметър е функция на енергията на преработени обем. Функцията се променя с промени в отделни параметри. Освен това, действителната мощност на повърхност на издатината на ултразвукова единица зависи от параметрите. Мощността на повърхност на издатината е интензитетът на повърхност (I). Интензитетът на повърхност зависи от амплитудата (А), налягане (Р), обем на реактора (VR), температурата (Т), вискозитет (η) и др.

Въздействието на генерираните кавитация зависи от интензивността на повърхността. По същия начин, резултатът от процеса корелира. Общата мощност на ултразвукова единица е продукт на интензивност повърхност (I) и повърхност (S):

р [W] аз [W / Мм²] * с[Мм²]

амплитуда

Амплитудата на колебание описва начин (например 50 цт) повърхност издатина пътува в даден момент (например 1 / 20,000s при 20 kHz). Колкото по-голяма амплитуда, по-висока е скоростта, с която намалява налягането и се увеличава на всеки удар. В допълнение към това, обем на обема на инсулт всеки увеличава в резултат на по-голям обем кавитация (размер на мехурчетата и / или номер). Когато се прилага на дисперсии, по-високите амплитуди показват по-висока разрушителна за твърди частици. Таблица 1 показва общите стойности за някои ултразвук.

налягане

Точката на кипене на течността зависи от налягането. Колкото по-високо е налягането, толкова по-висока е точката на кипене и обратното. 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 парите вътре в мехурчето (виж Vercet et al., 1999). Тъй като ултразвуковата сила и интензитет се променят бързо при промени в налягането, помпата с постоянно налягане е за предпочитане. При подаване на течност към потока клетката трябва да може да обработва специфичния поток на течността при подходящи налягания. Мембранни или мембранни помпи; гъвкави тръби, маркучи или изтласкващи помпи; перисталтични помпи; или помпата с бутало или бутало ще създаде променливи колебания на налягането. Предпочитат се центробежни помпи, зъбни помпи, спирални помпи и помпи с прогресивна кухина, които доставят течността, която ще се обработва с ултразвук при непрекъснато стабилно налягане. (Hielscher 2005)

температура

Чрез подлагане на ултразвукова баня течност, мощността се предава в средата. Както ултразвук, генерирани трептения предизвиква сътресения и фрикционни, звуково обработено течност - в съответствие със закон на термодинамиката – ще се нагрее. Повишените температури на преработени среда могат да бъдат разрушителни за материала и да намали ефективността на ултразвукова кавитация. Иновативни ултразвукови клетки поток са оборудвани с охладителна риза (виж снимката). С това се дава точната контрол върху температурата на материала по време на ултразвукова обработка. За чаша Звукообработката по-малки обеми се препоръчва ледена баня за разсейване на топлината.

Вискозитет и Концентрация

свръхзвуков фрезоване и Диспергиращи са течни процеси. Частиците трябва да бъде в суспензия, например във вода, масла, разтворители или смоли. Чрез използването на ултразвукови системи потоковите, става възможно да се хомогенизира много вискозен, пастообразни материали.
Висока мощност ултразвуков процесор може да работи при сравнително високи концентрации твърди вещества. Високата концентрация осигурява ефективността на ултразвукова обработка, като ултразвукови смилане ефект се причинява от сблъсък между частиците. Изследвания са показали, че скоростта на разрушаване на силициев диоксид е независим от твърд концентрация до 50% тегл. Обработката на мастербачи със съотношение силно концентриран материал е на обща процедура за производство с помощта на ултразвук.

Мощност и интензивност в сравнение с енергетиката

интензивност на повърхността и общата мощност се опише само интензитета на обработка. ултразвук обем на пробата и времето на излагане на определен интензитет трябва да се счита за описване на процеса на обработка с ултразвук, за да се направи мащабируеми и възпроизводими. За даден параметър конфигурация резултат на процес, например размер на частиците или чрез химична конверсия, ще зависи от енергията на обем (E / V).

Резултат = е (E /V )

Когато енергията (Е) е продукт на изходната мощност (P) и времето на експозиция (т).

E[Ws] = р[W] *T[с]

Промени в конфигурацията на параметър ще се променят функцията резултат. Това от своя страна ще варира количеството енергия (Е), необходими за дадена стойност проба (V) за да се получи специфична стойност резултат. Поради тази причина не е достатъчно за разполагане на определена мощност на ултразвук, за да процес, за да получите резултат. По-сложен подход се изисква да определи необходимата мощност и конфигурацията на параметъра, при която властта трябва да бъде пусната в материала на процес. (Hielscher 2005)

Ултразвуковата Assisted производство на биоетанол

Тя е вече знаете, че ултразвук подобрява производството на биоетанол. Препоръчително е да се сгъсти течността с биомаса до силно вискозна суспензия, която е все още изпомпване. Ултразвукови реактори могат да се справят сравнително високи концентрации на твърди, така че процесът на ултразвук може да работи най-ефективно. Колкото повече материал се съдържа в разтвора, толкова по-малко течност носител, който няма да се възползват от процеса на обработка с ултразвук, ще се лекува. Както входа на енергия в течност предизвиква загряване на течността от закон на термодинамиката, това означава, че ултразвуковата енергия се прилага към целта материал, доколкото е възможно. По такъв ефективен дизайн на процес, се избягва разхищава нагряване на излишък от течност носител.
Блокада подпомага екстракция на вътреклетъчния материал и го прави по този начин на разположение за ферментация ензимната. Леко лечение ултразвук може да подобри ензимна активност, но за добив на биомаса ще се изисква по-интензивен ултразвук. Следователно, трябва да се добавят ензими към кашата от биомаса след соникация като интензивен ултразвук инактивира ензима, който е не желания ефект.

постигнати от научни изследвания Текущи резултати:

Проучванията на Yoswathana и сътр. (2010) относно с производството на биоетанол от оризова слама показват, че комбинацията от киселина преди лечението и ултразвукови преди лечението ензимна доведе до повишен добив до 44% (на база ориз слама) захар. Това показва ефективността на комбинацията от физически и химически предварителна обработка преди ензимната хидролиза на lignocelluloses материал на захар.

Схема 2 илюстрира положителното въздействие на ултразвук облъчване по време на производството на биоетанол от оризова слама графично. (Въглен е използван за детоксикиране на предварително третирани проби от киселина / ензим предварителна обработка и ултразвукови предварителна обработка).

В друго скорошно изследване влиянието на ултразвук върху извънклетъчната и вътреклетъчните нива на β-галактозидаза ензим е изследван. Sulaiman и сътр. (2011) може да подобри производителността на производството на биоетанол по същество, като се използва ултразвук при контролирана температура стимулиране растежа на дрожди на Kluyveromyces marxianus (АТСС 46537). Авторите на хартията резюмета, че периодично ултразвук с мощност ултразвук (20 кХц) при мито цикли на ≤20% стимулирано производство на биомаса, лактоза метаболизъм и производство на етанол в К. marxianus при относително висока ултразвук интензитет на 11.8Wcm^-2, Съгласно най-добрите условия, ултразвук засилено крайната концентрация на етанол от почти 3.5 пъти спрямо контролата. Това съответства на подобрение с 3,5-кратно на производителността на етанол, но изисква 952W на допълнителна мощност на кубичен метър от бульон чрез ултразвук. Това допълнително изискване за енергийна сигурност беше в рамките на допустимите норми за оперативни биореактори, а за продукти с висока стойност, лесно може да се компенсира чрез повишаване на производителността.

Заключение: Ползите от ултразвук-Assisted Ферментация

лечение Ултразвуково е показан като ефективен и иновативна техника, за да се повиши добивът на биоетанол. Главно, ултразвук се използва за извличане на вътреклетъчния материал от биомаса, като царевица, соя, слама, лигно-целулозни материали или растителни отпадъци.

• Увеличаване на добива биоетанол
• Disinteration / Cell distruction и освобождаване на интра-клетъчен материал
• Подобрена анаеробно разграждане
• Активирането на ензими от мек ултразвук
• Подобряване на ефективността на процеса от високи концентрации суспензии

Простият тестване, възпроизводими мащаба и лесен монтаж (също във вече съществуващи производствени потоци) прави ултразвук печеливша и ефективна технология. Надеждни промишлени ултразвукови процесори за търговска обработка са налични и дават възможност да се озвучава практически неограничени обеми на течности.