Ultrazvučno potpomognuta fermentacija za proizvodnju bioetanola

Ultrazvučno potpomognuta fermentacija može poboljšati proizvodnju bioetanola promicanjem razgradnje složenih ugljikohidrata u jednostavnije šećere, čineći ih lakšim za kvasac za pretvaranje u etanol. Istovremeno, sonikacija također poboljšava efikasnost propusnosti ćelijskog zida kvasca, omogućavajući brže oslobađanje etanola i povećanu ukupnu proizvodnju. Na taj način, ultrazvučno potpomognuta fermentacija bioetanola rezultira većim stopama konverzije i poboljšanim prinosima.

fermentacija

Fermentacija može biti aerobni (= oksidativna fermentacija) ili anaerobni proces, koji se koristi za biotehnološke primjene za pretvaranje organskog materijala bakterijskim, gljivičnim ili drugim biološkim kulturama ćelija ili enzimima. Fermentacijom se energija izdvaja iz oksidacije organskih spojeva, npr. ugljikohidrata.
Šećer je najčešći supstrat fermentacije, a nakon fermentacije nastaje proizvodi kao što su mliječna kiselina, laktoza, etanol i vodik. Za alkoholnu fermentaciju, etanol – posebno za upotrebu kao gorivo, ali i za alkoholna pića – nastaje fermentacijom. Kada su određeni sojevi kvasca, kao npr saccharomyces cerevisiae metaboliziraju šećer, stanice kvasca pretvaraju početni materijal u etanol i ugljični dioksid.

Donje hemijske jednadžbe sumiraju konverziju:

Ako je polazni materijal škrob, npr. iz kukuruza, škrob se prvo mora pretvoriti u šećer. Za bioetanol koji se koristi kao gorivo potrebna je hidroliza za konverziju škroba. Tipično, hidroliza se ubrzava kiselim ili enzimskim tretmanom ili kombinacijom oba. Normalno, fermentacija se odvija na oko 35-40 °C.
Pregled različitih procesa fermentacije:

hrana :

• proizvodnja & očuvanje
• mliječni proizvodi (fermentacija mliječne kiseline), npr. jogurt, mlaćenica, kefir
• mliječno fermentirano povrće, npr. kimchi, miso, natto, tsukemono, kiseli kupus
• razvoj aromatika, npr. soja sos
• razlaganje sredstava za štavljenje, npr. čaja, kakaa, kafe, duvana
• alkoholna pića, npr. pivo, vino, viski

droge:

• proizvodnja medicinskih spojeva, npr. inzulina, hijaluronske kiseline

Biogas/etanol :

• poboljšanje proizvodnje biogasa/bioetanola

Različiti istraživački radovi i testovi u veličini stola i pilotu pokazali su da ultrazvuk poboljšava proces fermentacije čineći više biomase dostupnom za enzimsku fermentaciju. U narednom odeljku biće elaborirani efekti ultrazvuka u tečnosti.

Efekti ultrazvučne obrade tekućinom

Ultrazvukom velike snage/niske frekvencije mogu se generirati visoke amplitude. Zbog toga se ultrazvuk velike snage/niske frekvencije može koristiti za obradu tekućina kao što je miješanje, emulgiranje, dispergiranje i deaglomeracija ili mljevenje.
Prilikom ultrazvučne obrade tekućina visokog intenziteta, zvučni valovi koji se šire u tekući medij rezultiraju naizmjeničnim ciklusima visokog tlaka (kompresija) i niskog tlaka (razrjeđivanje), sa brzinama koje zavise od frekvencije. Tokom ciklusa niskog pritiska, ultrazvučni talasi visokog intenziteta stvaraju male vakuumske mehuriće ili praznine u tečnosti. Kada mjehurići dostignu zapreminu pri kojoj više ne mogu apsorbirati energiju, oni se snažno kolabiraju tokom ciklusa visokog pritiska. Ovaj fenomen se naziva kavitacija. kavitacija, to je “formiranje, rast i implozivni kolaps mjehurića u tekućini. Kavitacijski kolaps proizvodi intenzivno lokalno zagrijavanje (~5000 K), visoke pritiske (~1000 atm) i ogromne brzine grijanja i hlađenja (>109 K/sec)” i mlaz tekućine (~400 km/h)”. (Suslick 1998.)

Postoje različiti načini za stvaranje kavitacije, kao što su mlaznice visokog pritiska, mikseri rotor-stator ili ultrazvučni procesori. U svim tim sistemima ulazna energija se pretvara u trenje, turbulencije, talase i kavitaciju. Udio ulazne energije koji se pretvara u kavitaciju ovisi o nekoliko faktora koji opisuju kretanje opreme za stvaranje kavitacije u tekućini. Intenzitet ubrzanja je jedan od najvažnijih faktora koji utiče na efikasnu transformaciju energije u kavitaciju. Veće ubrzanje stvara veće razlike u pritisku. Ovo zauzvrat povećava vjerovatnoću stvaranja vakuumskih mjehurića umjesto stvaranja valova koji se šire kroz tekućinu. Dakle, što je veće ubrzanje, veći je udio energije koji se pretvara u kavitaciju.
U slučaju ultrazvučnog pretvarača, amplituda oscilacije opisuje intenzitet ubrzanja. Veće amplitude rezultiraju efikasnijim stvaranjem kavitacije. Pored intenziteta, tečnost treba ubrzati na način da se stvaraju minimalni gubici u smislu turbulencija, trenja i stvaranja talasa. Za to je optimalan način jednostrani smjer kretanja. Promjenom intenziteta i parametara procesa sonikacije, ultrazvuk može biti vrlo tvrd ili vrlo mekan. To čini ultrazvuk vrlo svestranim alatom za različite primjene.

Meke aplikacije, primjena blage sonikacije pod blagim uvjetima, uključuju otplinjavanje, Emulgirajućei aktivaciju enzima. Teške aplikacije sa ultrazvukom visokog intenziteta/velike snage (uglavnom pod povišenim pritiskom). Mokro mljevenje, Deaglomeracija & smanjenje veličine čestica, i Raspršivanje. Za mnoge aplikacije kao npr Ekstrakcija, raspad ili Sonochemistry, traženi ultrazvučni intenzitet zavisi od specifičnog materijala koji se obrađuje ultrazvukom. Zahvaljujući raznovrsnosti parametara, koji se mogu prilagoditi pojedinačnom procesu, ultrazvuk omogućava pronalaženje slatke tačke za svaki pojedinačni proces.
Osim izvanredne konverzije snage, ultrazvuk nudi veliku prednost pune kontrole nad najvažnijim parametrima: amplitudom, pritiskom, temperaturom, viskozitetom i koncentracijom. Ovo nudi mogućnost podešavanja svih ovih parametara u cilju pronalaženja idealnih parametara obrade za svaki konkretan materijal. Ovo rezultira većom efektivnošću kao i optimiziranom efikasnošću.

Ultrazvuk za poboljšanje procesa fermentacije, što je primjereno objašnjeno proizvodnjom bioetanola

Bioetanol je proizvod razgradnje biomase ili biorazgradivih materija otpada od strane anaerobnih ili aerobnih bakterija. Proizvedeni etanol se uglavnom koristi kao biogorivo. To čini bioetanol obnovljivom i ekološki prihvatljivom alternativom za fosilna goriva, kao što je prirodni plin.
Za proizvodnju etanola iz biomase kao sirovina se može koristiti šećer, škrob i lignocelulozni materijal. Za veličinu industrijske proizvodnje trenutno dominiraju šećer i škrob jer su ekonomski povoljni.
Kako ultrazvuk poboljšava individualni proces kupca sa specifičnom sirovinom u datim uslovima može se vrlo jednostavno isprobati testovima izvodljivosti. U prvom koraku, ultrazvučna obrada male količine suspenzije sirovine laboratorijski uređaj će pokazati da li ultrazvuk utiče na sirovinu.

testiranje izvodljivosti

U prvoj fazi testiranja, prikladno je uvesti relativno veliku količinu ultrazvučne energije u malu zapreminu tečnosti jer se time povećava šansa da se vidi da li se mogu dobiti neki rezultati. Mala količina uzorka također skraćuje vrijeme korištenja laboratorijskog uređaja i smanjuje troškove za prve testove.
Ultrazvučni talasi se prenose površinom sonotrode u tečnost. Ispod površine sonotrode, intenzitet ultrazvuka je najintenzivniji. Stoga su poželjne kratke udaljenosti između sonotrode i ultrazvučnog materijala. Kada je izložen mali volumen tekućine, udaljenost od sonotrode može biti kratka.
Tabela ispod prikazuje tipične nivoe energije/volumena za procese sonikacije nakon optimizacije. Budući da se prva ispitivanja neće izvoditi u optimalnoj konfiguraciji, intenzitet i vrijeme obrade ultrazvukom za 10 do 50 puta od tipične vrijednosti pokazat će da li postoji bilo kakav učinak na ultrazvučni materijal ili ne.

Proces	energija/ volumen	Sample Volume	moć	Vrijeme
jednostavno	< 100 Ws/mL	10mL	50W	< 20 sek
Srednje	100Ws/mL do 500Ws/mL	10mL	50W	20 do 100 sek
Teško	> 500 Ws/mL	10mL	50W	>100 sec

Tabela 1 – Tipične vrijednosti sonikacije nakon optimizacije procesa

Stvarna ulazna snaga probnih vožnji može se zabilježiti putem integriranog snimanja podataka (UP200Ht i UP200St), PC-interfejsom ili mjeračem snage. U kombinaciji sa snimljenim podacima o podešavanju amplitude i temperature, rezultati svakog ispitivanja mogu se procijeniti i odrediti krajnji rezultat za energiju/volumen.
Ako je tokom testova odabrana optimalna konfiguracija, ova izvedba konfiguracije se može provjeriti tokom koraka optimizacije i konačno se može povećati na komercijalni nivo. Da bi se olakšala optimizacija, toplo se preporučuje da se ispitaju granice ultrazvučne obrade, npr. temperatura, amplituda ili energija/zapremina za specifične formulacije. Kako ultrazvuk može izazvati negativne efekte na ćelije, hemikalije ili čestice, potrebno je ispitati kritične nivoe za svaki parametar kako bi se sljedeća optimizacija ograničila na raspon parametara gdje se negativni efekti ne primjećuju. Za studiju izvodljivosti preporučuju se male laboratorijske ili stolne jedinice kako bi se ograničili troškovi za opremu i uzorke u takvim ispitivanjima. Generalno, jedinice od 100 do 1.000 W vrlo dobro služe svrsi studije izvodljivosti. (usp. Hielscher 2005)

optimizacija

Rezultati postignuti tokom studija izvodljivosti mogu pokazati prilično visoku potrošnju energije s obzirom na malu količinu tretirane. Ali svrha testa izvodljivosti je prvenstveno pokazati efekte ultrazvuka na materijal. Ako su se u ispitivanju izvodljivosti javili pozitivni efekti, moraju se uložiti dodatni napori da se optimizira odnos energija/volumen. To znači da se istraži idealna konfiguracija ultrazvučnih parametara kako bi se postigao najveći prinos koristeći manje energije kako bi proces bio ekonomski najefikasniji i efikasniji. Da biste pronašli optimalnu konfiguraciju parametara – postizanje željene koristi uz minimalni uloženi energetski unos – korelacija između najvažnijih parametara amplituda, pritisak, temperatura i tečnost sastav se mora ispitati. U ovom drugom koraku preporučuje se promjena od serije sonikacije na kontinualnu postavku ultrazvuka s reaktorom s protočnim ćelijama jer se ne može utjecati na važan parametar tlaka za šaržnu sonikaciju. Tokom ultrazvučne obrade u seriji, pritisak je ograničen na pritisak okoline. Ako proces ultrazvučne obrade prođe kroz komoru za protočnu ćeliju pod pritiskom, tlak se može povisiti (ili smanjiti) što općenito utječe na ultrazvučnu kavitacija drastično. Korištenjem protočne ćelije može se odrediti korelacija između tlaka i efikasnosti procesa. Ultrazvučni procesori između 500 vati i 2000 vati snage su najpogodniji za optimizaciju procesa.

Povećanje do komercijalne proizvodnje

Ako je pronađena optimalna konfiguracija, daljnje povećanje je jednostavno kao i ultrazvučni procesi potpuno ponovljivo na linearnoj skali. To znači, kada se ultrazvuk primeni na identičnu tečnu formulaciju pod identičnom konfiguracijom parametara obrade, potrebna je ista energija po zapremini da bi se dobio identičan rezultat nezavisno od obima obrade. (Hielscher 2005). To omogućava implementaciju optimalne konfiguracije parametara ultrazvuka do pune proizvodne veličine. Praktično, volumen koji se može ultrazvučno obraditi je neograničen. Komercijalni ultrazvučni sistemi sa do 16.000 vati po jedinici su dostupni i mogu se instalirati u klasterima. Takvi klasteri ultrazvučnih procesora mogu se instalirati paralelno ili serijski. Ugradnjom ultrazvučnih procesora velike snage u klastere, ukupna snaga je gotovo neograničena tako da se tokovi velikog volumena mogu obraditi bez problema. Takođe, ako je potrebna adaptacija ultrazvučnog sistema, npr. za prilagođavanje parametara modifikovanoj tečnoj formulaciji, to se uglavnom može uraditi promenom sonotrode, pojačivača ili protočne ćelije. Linearna skalabilnost, reproduktivnost i prilagodljivost ultrazvuka čine ovu inovativnu tehnologiju efikasnom i isplativom.

Parametri ultrazvučne obrade

Ultrazvučna obrada tekućine opisana je brojnim parametrima. Najvažniji su amplituda, pritisak, temperatura, viskozitet i koncentracija. Rezultat procesa, kao što je veličina čestica, za datu konfiguraciju parametara je funkcija energije po obrađenom volumenu. Funkcija se mijenja s izmjenama pojedinačnih parametara. Nadalje, stvarna izlazna snaga po površini sonotrode ultrazvučne jedinice ovisi o parametrima. Izlazna snaga po površini sonotrode je površinski intenzitet (I). Površinski intenzitet zavisi od amplitude (A), pritiska (p), zapremine reaktora (VR), temperature (T), viskoziteta (η) i dr.

Utjecaj generirane kavitacije ovisi o površinskom intenzitetu. Na isti način, rezultat procesa je u korelaciji. Ukupna izlazna snaga ultrazvučne jedinice je proizvod površinskog intenziteta (I) i površine (S):

str [w] I [w / mm²]* s[mm²]

amplituda

Amplituda oscilacije opisuje put (npr. 50 µm) površine sonotrode u datom vremenu (npr. 1/20,000s na 20kHz). Što je veća amplituda, to je veća brzina kojom se pritisak smanjuje i povećava pri svakom udaru. Uz to, pomjeranje volumena svakog poteza se povećava što rezultira većim volumenom kavitacije (veličina i/ili broj mjehurića). Kada se primjenjuju na disperzije, veće amplitude pokazuju veću destruktivnost na čvrste čestice. Tabela 1 prikazuje opšte vrijednosti za neke ultrazvučne procese.

pritisak

Tačka ključanja tečnosti zavisi od pritiska. Što je veći pritisak to je veća tačka ključanja, i obrnuto. Povišeni pritisak omogućava kavitaciju na temperaturama blizu ili iznad tačke ključanja. Takođe povećava intenzitet implozije, što je povezano sa razlikom između statičkog pritiska i pritiska pare unutar mehurića (uporedi Vercet et al. 1999). Budući da se ultrazvučna snaga i intenzitet brzo mijenjaju s promjenama tlaka, poželjna je pumpa s konstantnim pritiskom. Prilikom dovoda tekućine u protočnu ćeliju, pumpa bi trebala biti sposobna upravljati specifičnim protokom tekućine pri odgovarajućim pritiscima. Membranske ili membranske pumpe; fleksibilne cijevi, crijeva ili pumpe za stiskanje; peristaltičke pumpe; ili klipna ili klipna pumpa će stvoriti naizmjenične fluktuacije tlaka. Poželjne su centrifugalne pumpe, zupčaste pumpe, spiralne pumpe i pumpe sa progresivnom šupljinom koje opskrbljuju tekućinu koja se obrađuje ultrazvukom pod kontinuirano stabilnim pritiskom. (Hielscher 2005.)

Temperatura

Soniciranjem tečnosti, snaga se prenosi u medijum. Kako ultrazvučno generirana oscilacija uzrokuje turbulencije i trenje, sonicirana tekućina – u skladu sa zakonom termodinamike – će se zagrejati. Povišene temperature obrađenog medija mogu biti destruktivne za materijal i smanjiti efikasnost ultrazvučne kavitacije. Inovativne ultrazvučne protočne ćelije opremljene su rashladnim omotačem (vidi sliku). Time se daje tačna kontrola temperature materijala prilikom ultrazvučne obrade. Za ultrazvučnu obradu manjih količina u čašama preporučuje se ledena kupka za odvođenje topline.

Viskoznost i koncentracija

Ultrasonic Glodanje i Raspršivanje su tečni procesi. Čestice moraju biti u suspenziji, npr. u vodi, ulju, rastvaračima ili smolama. Korištenjem ultrazvučnih sistema za protok, postaje moguće ultrazvučno obraditi vrlo viskozni, pastozni materijal.
Ultrazvučni procesor velike snage može raditi pri prilično visokim koncentracijama krutih tvari. Visoka koncentracija obezbeđuje efikasnost ultrazvučne obrade, jer je efekat ultrazvučnog mlevenja uzrokovan sudarom između čestica. Istraživanja su pokazala da je stopa lomljenja silicijum dioksida nezavisna od koncentracije čvrste supstance do 50% masenog udjela. Obrada master serija sa omjerom visoko koncentriranog materijala uobičajena je proizvodna procedura korištenjem ultrazvučne obrade.

Snaga i intenzitet naspram energije

Površinski intenzitet i ukupna snaga opisuju samo intenzitet obrade. Volumen uzorka obrađenog ultrazvukom i vrijeme izlaganja određenom intenzitetu moraju se uzeti u obzir da bi se opisao proces sonikacije kako bi se učinio skalabilnim i ponovljivim. Za datu konfiguraciju parametara rezultat procesa, npr. veličina čestica ili hemijska konverzija, zavisiće od energije po zapremini (E/V).

Rezultat = f (E /V )

Pri čemu je energija (E) proizvod izlazne snage (P) i vremena izlaganja (t).

E[Ws] = str[w]*t[s]

Promjene u konfiguraciji parametara će promijeniti funkciju rezultata. Ovo će zauzvrat varirati količinu energije (E) potrebne za datu vrijednost uzorka (V) da bi se dobila određena vrijednost rezultata. Iz tog razloga nije dovoljno primijeniti određenu snagu ultrazvuka u proces da bi se dobio rezultat. Potreban je sofisticiraniji pristup kako bi se identificirala potrebna snaga i konfiguracija parametara po kojoj bi se snaga trebala staviti u procesni materijal. (Hielscher 2005.)

Ultrazvučno potpomognuta proizvodnja bioetanola

Već je poznato da ultrazvuk poboljšava proizvodnju bioetanola. Preporučljivo je zgušnjavanje tečnosti sa biomasom u visoko viskoznu kašu koja se još uvijek može pumpati. Ultrazvučni reaktori mogu podnijeti prilično visoke koncentracije čvrstih tvari tako da se proces ultrazvučne obrade može izvoditi najefikasnije. Što je više materijala sadržano u kaši, to će se tretirati manje tečnosti nosača, koja neće imati koristi od procesa sonikacije. Kako unos energije u tekućinu uzrokuje zagrijavanje tekućine po zakonu termodinamike, to znači da se ultrazvučna energija primjenjuje na ciljni materijal, koliko je to moguće. Ovakvim efikasnim dizajnom procesa izbjegava se rasipno zagrijavanje viška noseće tekućine.
Ultrazvuk pomaže Ekstrakcija intracelularnog materijala i na taj način ga čini dostupnim za enzimsku fermentaciju. Blagi ultrazvučni tretman može poboljšati enzimsku aktivnost, ali za ekstrakciju biomase bit će potreban intenzivniji ultrazvuk. Dakle, enzime treba dodati u suspenziju biomase nakon sonikacije jer intenzivan ultrazvuk inaktivira enzime, što nije željeni efekat.

Dosadašnji rezultati naučnih istraživanja:

Studije Yoswathane et al. (2010) koji se bave proizvodnjom bioetanola iz pirinčane slame su pokazali da kombinacija kiselog prethodnog tretmana i ultrazvučnog prije enzimskog tretmana dovodi do povećanja prinosa šećera do 44% (na bazi pirinčane slame). Ovo pokazuje efikasnost kombinacije fizičkog i hemijskog prethodnog tretmana pre enzimske hidrolize lignoceluloznog materijala u šećer.

Grafikon 2 grafički ilustruje pozitivne efekte ultrazvučnog zračenja tokom proizvodnje bioetanola iz pirinčane slame. (Duveni ugljen je korišten za detoksikaciju prethodno obrađenih uzoraka iz prethodnog tretmana kiselinom/enzimom i ultrazvučnog prethodnog tretmana.)

U drugoj nedavnoj studiji, ispitivan je uticaj ultrazvučne obrade na ekstracelularne i intracelularne nivoe enzima β-galaktozidaze. Sulaiman et al. (2011) mogao bi značajno poboljšati produktivnost proizvodnje bioetanola, koristeći ultrazvuk na kontroliranoj temperaturi koji stimulira rast kvasca Kluyveromyces marxianus (ATCC 46537). Autori rada nastavljaju da je intermitentna sonikacija ultrazvukom snage (20 kHz) pri radnim ciklusima od ≤20% stimulirala proizvodnju biomase, metabolizam laktoze i proizvodnju etanola u K. marxianus pri relativno visokom intenzitetu ultrazvuka od 11,8 Wcm⁻². U najboljim uslovima, ultrazvuk je povećao konačnu koncentraciju etanola za skoro 3,5 puta u odnosu na kontrolu. Ovo je odgovaralo povećanju produktivnosti etanola 3,5 puta, ali je zahtijevalo 952 W dodatne ulazne snage po kubnom metru bujona putem ultrazvuka. Ovaj dodatni zahtjev za energijom je svakako bio unutar prihvatljivih operativnih normi za bioreaktore i, za proizvode visoke vrijednosti, mogao se lako nadoknaditi povećanom produktivnošću.

Zaključak: Prednosti fermentacije potpomognute ultrazvukom

Ultrazvučni tretman se pokazao kao efikasna i inovativna tehnika za povećanje prinosa bioetanola. Prije svega, ultrazvuk se koristi za ekstrakciju unutarćelijskog materijala iz biomase, kao što su kukuruz, soja, slama, ligno-celulozni materijal ili biljni otpad.

• Povećanje prinosa bioetanola
• Disinteracija/ Razaranje ćelija i oslobađanje unutarćelijskog materijala
• Poboljšana anaerobna razgradnja
• Aktivacija enzima blagim sonikacijom
• Poboljšanje efikasnosti procesa pomoću visokokoncentracijskih suspenzija

Jednostavno testiranje, ponovljivo povećanje veličine i laka instalacija (također u već postojećim proizvodnim tokovima) čine ultrazvuk profitabilnom i efikasnom tehnologijom. Dostupni su pouzdani industrijski ultrazvučni procesori za komercijalnu obradu i omogućavaju ultrazvučnu obradu gotovo neograničenih količina tekućine.