fermentacija

Fermentacije može biti aerobni (= oksidativni fermentacija) ili anaerobni proces, koji se koristi za biotehnoloških aplikacija za pretvaranje organskog materijala bakterijskih, gljivičnih ili drugi biološki kulturama ćelija ili enzima. Fermentacijom, energija je izvađen iz oksidacije organskih spojeva, npr ugljikohidrata.

Šećer je najčešći supstrat fermentacije, što je rezultiralo nakon fermentacije u proizvodima kao što su mliječne kiseline, laktoza, etanol i vodik. Za alkoholne fermentacije, etanol - posebno za upotrebu kao gorivo, ali i za alkoholna pića – je proizveden fermentacijom. Kada određeni sojevi, kao što su Sacharomyces Cerevisiae metabolišu šećer, kvasac ćelije pretvoriti polazni materijal u etanol i ugljen-dioksida.

Kemijski jednadžbe ispod rezimira konverzije:

Ako je početni materijal je škrob, npr od kukuruza, prvo škrob mora se pretvoriti u šećer. Za bioetanol koristi kao gorivo, potreban hidrolize za škroba konverzije. Tipično, hidroliza se ubrzava kiselom ili enzimskih postupanja ili kombinacijom jednog i drugog. Normalno, fermentacija se odvija na oko 35-40 ° C.
Pregled više različitih procesa fermentacije:

Hrana:

• proizvodnja & čuvanje
• mliječne (mliječne kiseline fermentacija), npr jogurt, mlaćenica, kefir
• mliječne fermentirane povrće, npr kimchi, miso, Natto, tsukemono, kiseli kupus
• razvoj aromata, npr umak od soje
• razlaganje štavljenje agenata, npr čaj, kakao, kava, duhan
• alkoholna pića, npr pivo, vino, viski

droga:

• proizvodnja medicinskih spojeva, npr inzulina, hijaluronska kiselina

Biogas / Etanol:

• poboljšanje bioplina / bioetanola

Različite istraživačke radove i ispitivanja u klupi-top i veličine pilot su pokazali da ultrazvuk poboljšava proces fermentacije tako što više biomase na raspolaganju za enzimsku fermentacije. U sljedećem odjeljku efekte ultrazvuka u tečnom će se razraditi.

Efekti Ultrazvučni obradu tekućina

Do velike snage / niskih frekvencija ultrazvuka visoke amplitude može biti generiran. Na taj način, velike snage / niskih frekvencija ultrazvuk se može koristiti za obradu tekućina, kao što su miješanje, emulgovanje, raspršivanje i sprečavanju grupisanja malih čestica, ili brušenjem.
Kada sonikatora tekućine na visokim intenzitetima, zvuk valova koje propagiraju u tečnom mediju rezultirati naizmjenično visokog pritiska (kompresija) i niskog pritiska (razrjeđivanje) ciklusi, sa stopama u zavisnosti od frekvencije. Tokom ciklusa niskog pritiska, visokog intenziteta ultrazvučnih valova stvoriti mali vakuum mjehurići ili šupljina u tečnosti. Kada se mjehurići postići volumen na kojem se više ne apsorbiraju energiju, oni kolaps nasilno tijekom ciklusa visokog pritiska. Ovaj fenomen se naziva kavitacija. kavitacija, to je “formiranje, rast i implosive kolaps mjehurića u tečnosti. Cavitational kolaps proizvodi intenzivne lokalne grijanje (~ 5000 K), visoke pritiske (~ 1000 atm), i ogromne grijanje i stope za hlađenje (>109 K / s)” i tečni mlaznicama (~ 400 km / h) ". (Suslick 1998)

Postoje različita sredstva za stvaranje kavitacije, kao što su mlaznice visokog pritiska, mešalice rotor-stator ili ultrazvučni procesori. U svim tim sistemima ulazna energija se pretvara u trenje, turbulencije, talase i kavitaciju. Frakcija ulazne energije koja se pretvara u kavitaciju zavisi od nekoliko faktora koji opisuju kretanje opreme za stvaranje kavitacije u tečnosti. Intenzitet ubrzanja je jedan od najvažnijih faktora koji utiču na efikasnu transformaciju energije u kavitaciju. Veće ubrzanje stvara veće pritiske. Ovo zauzvrat povećava verovatnoću stvaranja vakuumskih mehurića umjesto stvaranja talasa koji se razmnožavaju kroz tečnost. Dakle, što je veće ubrzanje, veća je frakcija energije koja se pretvara u kavitaciju.
U slučaju ultrazvučnog sonde, amplituda oscilacija opisuje intenzitet ubrzanja. Višim amplitudama dovesti do efikasnije stvaranje kavitacije. Osim intenziteta, tečnost treba ubrzati na način da se stvori minimalne gubitke u smislu turbulencije, trenja i generacije talasa. Za to optimalan način je unilateralna pravac kretanja. Mijenja intenzitet i parametara procesa sonication, ultrazvuk može biti vrlo teško ili vrlo mekana. To čini ultrazvuk vrlo svestran alat za razne aplikacije.

Soft aplikacije, primjenom blagog sonication pod blagim uvjetima, uključuju otplinjavanje, EmulgiranjeI enzima aktivacije. Tvrdi aplikacije s visokim intenzitetom / velike snage ultrazvuka (uglavnom pod povišenim pritiskom) su Wet-glodanje, sprečavanju grupisanja malih čestica & smanjenje veličine čestica, i Disperzija. Za mnoge aplikacije kao što su Ekstrakcija, Raspad ili Sonohemiju, Ultrazvučni intenzitet zatražio zavisi od specifičnih materijala koji se sonicated. Do raznih parametara, koji se može prilagoditi individualnim proces, ultrazvuk omogućava pronalaženje slatko mjesto za svaki pojedinačni proces.
Osim izvanredan konverzije energije, ultrasonication nudi veliku prednost potpunu kontrolu nad najvažnijih parametara: amplitude, pritisak, temperatura, viskozitet i koncentraciju. Ovo pruža mogućnost da se prilagodi svim ovim parametrima s ciljem da pronađe idealnu parametara obrade za svaki konkretan materijal. To rezultira veću efikasnost, kao iu Optimized efikasnosti.

Ultrazvuk za poboljšanje procesa fermentacije, objasnio je uzorno uz proizvodnju bioetanola

Bioetanola je proizvod razgradnje biomase ili biorazgradivog pitanje otpada anaerobne ili aerobne bakterije. Proizvedena etanola se uglavnom koristi kao biogorivo. To čini bioetanol obnovljivi i ekološki prihvatljivih alternativa za fosilna goriva, kao što je prirodni plin.
Za proizvodnju etanola iz biomase, šećer, škrob, i lignocelulozne materijal može se koristiti kao sirovina. Za industrijske veličine proizvodnje, šećer i škrob su trenutno dominantni jer su ekonomski povoljne.
Kako ultrazvuk poboljšava proces klijent-pojedinca sa specifičnim sirovina pod određenim uslovima mogu testirati vrlo jednostavna testovima izvodljivosti. Na prvi korak, sonication male količine sirovina cisterne sa ultrazvučnim laboratorija uređaj će pokazati, ako ultrazvuk ne utiče na sirovine.

izvodljivosti za testiranje

U prvoj fazi testiranja, da je pogodna da se uvede relativno visok iznos od ultrazvučne energije u mali volumen tekućine, kao i time se povećava šansa da vidimo da li se može dobiti nikakve rezultate. A mali volumen uzorka i skraćuje vrijeme koristeći laboratoriju uređaja i smanjuje troškove za prva testiranja.
Ultrazvuk valovi se prenose površine dihtovanje je u tečnost. Beneth površinu dihtovanje, intenzitet ultrazvuka je najintenzivniji. Na taj način, kratke razdaljine između dihtovanje i sonicated materijala imaju prednost. Kada je izložen mali tečnost volumen, udaljenost od dihtovanje može držati kratko.
Tabela u nastavku prikazuje tipičan nivo energije / zapremina za sonication procese nakon optimizacije. Od prvog suđenja neće raditi na optimalnoj konfiguraciji, intenzitet sonication i vremena za 10 do 50 puta od tipičnih vrijednosti će pokazati da li postoji bilo kakav učinak na sonicated materijal ili ne.

proces	energija / obim	Volumen uzorka	moć	vrijeme
jednostavan	< 100Ws / mL	10mL	50W	< 20 sekundi
srednji	100Ws / mL do 500Ws / mL	10mL	50W	20 do 100 sekundi
tvrd	> 500Ws / mL	10mL	50W	>100 sec

Tabela 1 – Tipične sonication vrijednosti nakon optimizacije procesa

Stvarni ulazna snaga testa vožnje može da se snimi preko integrisanog snimanje podataka (Uf200 ः t i UP200St), PC-sučelje ili powermetar. U kombinaciji sa snimljenim podacima postavka amplitude i temperature, rezultati svakog suđenja može se vrednovati i može se uspostaviti krajnjoj liniji za energiju / zvuka.
Ako je tokom testova izabrana optimalna konfiguracija, ove performanse konfiguracije se mogu provjeriti tokom koraka optimizacije i mogu se konačno povećati do komercijalnog nivoa. Da bi se olakšala optimizacija, preporučljivo je ispitati granice sonifikacije, npr. Temperaturu, amplitudu ili energiju / zapreminu za određene formulacije. Pošto ultrazvuk može proizvesti negativne efekte na ćelije, hemikalije ili čestice, kritički nivoi za svaki parametar treba ispitati kako bi se ograničila sljedeća optimizacija u opseg parametara gde negativni efekti nisu primećeni. Za studiju izvodljivosti preporučuju se male laboratorije ili klupe za ograničavanje troškova opreme i uzoraka u takvim ispitivanjima. Općenito 100 do 1000 vatnih jedinica veoma dobro služe svrsi studije izvodljivosti. (vidi Hielscher 2005)

optimizacija

Postignute rezultate tokom studija izvodljivosti može pokazati prilično veliku potrošnju energije u vezi s malim količinama tretira. Ali svrha testa izvodljivosti je prvenstveno da pokaže efekte ultrazvuka na materijal. Ako se u dogodila izvodljivosti testiranje pozitivni efekti, mora se uloži dodatne napore kako optimizirati omjer energija / zvuka. To znači da se istraži idealne konfiguracije ultrazvuka parametara da se postigne najveći prinos koristeći manje energije moguće da proces ekonomski razuman i efikasan. Da biste pronašli optimalnu konfiguraciju parametar – dobivanje namjerne pogodnosti sa minimalnim ulaskom u energiju--povezanost između najvažnijih parametara amplituda, pritisak, temperatura i tečnost sastav moraju biti istraženi. U drugom koraku se preporučuje promjena iz serije sonication do kontinuiranog podešavanja sonication sa protokom ćelija reaktor kao bitan parametar pritisak ne može uticati na batch sonication. Tokom sonication u seriji, pritisak je ograničen na ambijentalnog pritiska. Ako se proces sonication donosi održava pritisak komori toka ćelija, pritisak može biti povišen (ili smanjiti) koji uopšte utiče ultrazvučnom kavitacija drastično. Pomoću toka ćelija, korelacija između pritiska i efikasnost procesa može se utvrditi. Ultrazvučno procesora između 500 W i 2000 W vlasti su najpogodniji za optimizaciju procesa.

Scale-Do Commercial Production

Ako je pronašao optimalnu konfiguraciju, dalji scale-up je jednostavan kao i ultrazvučne procesi potpuno reproduktivne na linearnom skalom. To znači, kada se ultrazvuk primenjuje na identičnu formulaciju tečnosti pod identičnom konfiguracijom parametara obrade, potrebna je ista energija po volumenu da bi se dobio identičan rezultat nezavisno od obima obrade. (Hielscher 2005). To omogućava mogućnost implementacije optimalne konfiguracije parametara ultrazvuka do veličine proizvodnje pune veličine. Praktično, zapremina koja se može ultrazvučno obrađivati ​​je neograničena. Komercijalni ultrazvučni sistemi sa do 16.000 vati po jedinici su dostupni i mogu se ugraditi u klastere. Takva klastera ultrazvučnog procesora može biti instaliran paralelno ili u seriji. Do klaster-mudar instalacija velike snage ultrazvučnog procesora, ukupna snaga je gotovo neograničen, tako da velike količine tokova mogu obrađivati ​​bez problema. Isto tako, ako je potrebna adaptacija ultrazvučnog sistema, npr da biste podesili parametre u tečno formulacije modifikovan, to se može uglavnom vrši promjenom dihtovanje, booster ili protok ćeliju. Linearni skalabilnost, reproduktivnost i prilagodljivost ultrazvuka čine ovu inovativnu tehnologiju efikasan i ekonomičan.

Parametri Ultrazvučni obrade

Ultrazvučni obradu tekućina je opisan nizom parametara. Najvažniji su amplituda, pritisak, temperatura, viskoznost, i koncentraciju. Rezultat procesa, kao što su veličina čestica, za datu konfiguraciju parametar je funkcija energije po obrađuju volumena. Funkcija mijenja sa promjenama u individualnim parametrima. Osim toga, stvarna snaga po površini dihtovanje ultrazvučnog uređaja ovisi o parametrima. Izlazna snaga po površini dihtovanje je intenzitet površinu (I). Intenzitet površina zavisi od amplitude (A), pritisak (p), u reaktor volumena (VR), temperatura (T), viskoznosti (η) i drugi.

Uticaj generira kavitacije zavisi od intenziteta površini. Na isti način, rezultat procesa u korelaciji. Ukupne snage ultrazvučnog jedinica je proizvod površine intenziteta (I) i površina (S):

P [W] ja [W / Mm²] * e[Mm²]

amplituda

Amplitude oscilacija opisuje način (npr 50 μm) površine dihtovanje putuje u određenom vremenu (npr 1 / 20,000s na 20kHz). Što je veća amplituda, veća je stopa po kojoj je spušta pritisak i povećava na svakoj moždanog udara. Pored toga, obim raseljavanje svakog moždanog udara povećava što je rezultiralo većim kavitacije volumena (veličina balon i / ili broj). Kada se primjenjuje na disperzije, višim amplitudama pokazuju viši destruktivnost na čvrste čestice. Tabela 1 prikazuje opšte vrednosti za neke ultrazvučne procese.

pritisak

Tačka ključanja tečnosti zavisi od pritiska. Što je veći pritisak, veća je tačka ključanja i obratno. Povišen pritisak omogućava kavitaciju na temperaturama blizu ili iznad tačke ključanja. Takođe povećava intenzitet implozije, koja se odnosi na razliku između statičkog pritiska i pritiska pare unutar balona (vidi Vercet et al., 1999). Pošto se ultrazvučna snaga i intenzitet brzo menjaju sa promjenama pritiska, poželjna je pumpa sa konstantnim pritiskom. Kada isporučuje tečnost u protočnoj ćeliji, pumpa treba da bude sposobna da rukuje specifičnim protokom tečnosti pri odgovarajućim pritiscima. Membranske ili membranske pumpe; fleksibilne cijevi, crijeva ili cijevi za pritisak; peristaltičke pumpe; ili pumpa klipa ili klipa stvaraće promjenjive fluktuacije pritiska. Poželjne su centrifugalne pumpe, zupčaste pumpe, spiralne pumpe i progresivne pumpe za šupljine koje snabdevaju tečnost za sonik pri stalnom stabilnom pritisku. (Hielscher 2005)

temperatura

Do upotrebe sonikatora tečnost, snaga se prenosi u medij. Kao ultrazvučno generira oscilacija izaziva turbulencije i trenje, u sonicated tečnost - u skladu sa zakonom termodinamike – će se zagrijati. Povišenim temperaturama obrađenih medij može biti destruktivno na materijal i smanjuju djelotvornost ultrazvučne kavitacije. Inovativni ćelije ultrazvučnog protoka su opremljene rashladnim plaštom (vidi sliku). Po tome, upravo kontrola temperature materijala tijekom ultrazvučne obrade dat. Za čašu sonication manjih volumena preporučuje ledenu kupku za odvođenje topline.

Viskoznost i koncentraciju

ultrazvučni glodanje i Disperzija su likvidne procesima. Čestice moraju biti u suspenziji, npr u vodu, ulje, otapala ili smole. Upotrebom ultrazvučnog protoka kroz sisteme, postaje moguće sonikacija vrlo viskozna paste materijala.
High-power ultrazvučnog procesor se može pokrenuti na prilično visokim koncentracijama čvrste materije. Visoka koncentracija osigurava djelotvornost ultrazvučne obrade, kao ultrazvučno efekt glodanje je uzrokovana između čestica sudara. Istraživanja su pokazala da je lom stopa silika je nezavisna od čvrste koncentracije do 50% po težini. Obradu master serija sa odnos visoko koncentrirana materijala je zajednička proizvodnja postupak koristeći ultrasonication.

Snaga i intenzitet vs. Energy

intenzitet površine i ukupne snage ne samo opisuju intenzitet obrade. U sonicated volumena uzorka i vrijeme izlaganja u određenim intenzitetom treba uzeti u obzir da se opiše proces sonication kako bi ga skalabilan i ponovljivi. Za dati parametar konfiguracije rezultat procesa, npr veličine čestica ili kemijski konverzije, ovisit će o energetskim po volumenu (E / V).

rezultat = F (E /V )

Gdje je energija (E) je proizvod izlazna snaga (P) i vremenu izlaganja (t).

E[ws] = P[W] *T[e]

Promjene u konfiguraciji parametar će promijeniti funkciju rezultat. To će zauzvrat varirati količinu energije (E) koji su potrebni za dati uzorak vrijednost (V) da se dobije određenu vrijednost rezultata. Iz tog razloga nije dovoljno da uputi određene moći ultrazvuka na proces da biste dobili rezultat. A sofisticiraniji pristup je potrebno da se identifikuje potrebne snage i parametar konfiguracije na kojoj je vlast treba staviti u proces materijala. (Hielscher 2005)

Ultrazvučno Assisted proizvodnju bioetanola

Već je znati da ultrazvuk poboljšava proizvodnju bioetanola. Preporučljivo je da se zgusne tečnost sa biomase visoko viskozne cisterne koja je još uvijek pumpanje. Ultrazvučnog reaktora može nositi prilično visok čvrste koncentracije, tako da se proces sonication se može pokrenuti najefikasniji. Što više materijala sadržanih u cisterne, manje nosač tečnost, koja neće profitirati od procesa sonication, će se tretirati. Kao ulaz energije u tečnost uzrokuje zagrijavanje tekućine po zakonu termodinamike, to znači da se ultrazvučne energije primijeniti na ciljni materijal, koliko je to moguće. Takvim efikasan dizajn procesa, rasipan grijanje viška nosača tečnost izbjegavati.
Ultrazvuk pomaže Ekstrakcija intracelularne materijala i čini je time na raspolaganju za enzimsku fermentacije. Blaga tretman ultrazvukom mogu poboljšati enzimsku aktivnost, ali za ekstrakciju biomase će biti potrebno intenzivnije ultrazvuka. Stoga, enzimi treba dodati na cisterne biomase nakon sonication kao intenzivan ultrazvuk inaktivira enzima, što je nije željeni efekat.

Dosadašnji rezultati postižu naučnih istraživanja:

Studije Yoswathana et al. (2010) koje se odnose na proizvodnju bioetanola iz riže slame su pokazala da kombinacija kiseline predtretmana i ultrazvučne prije olova enzimskih tretmana do povećanja prinosa šećera do 44% (na riži slame osnovi). Ovo pokazuje djelotvornost kombinacije fizičke i kemijske predtretman prije enzimskom hidrolizom lignocelluloses materijala šećera.

Grafikon 2 pokazuje pozitivne efekte ultrazvučnih zračenje u proizvodnji bioetanola iz riže slame grafički. (Ugljen se koristi za detoksikaciju tretiranih uzoraka iz kiseline / enzima predobrade i ultrazvučne predobrade.)

U drugoj nedavnoj studiji, uticaj ultrasonication na ekstracelularne i intracelularne razine β-galaktozidaze enzim je ispitan. Sulaiman et al. (2011) može poboljšati produktivnost proizvodnju bioetanola bitno, koristeći ultrazvuk na kontrolisanoj temperaturi stimuliše rast kvasca od Kluyveromyces marxianus (ATCC 46537). Autori rada nastavlja da isprekidani sonication snage ultrazvuka (20 kHz) na dužnost ciklusa ≤20% stimulirana proizvodnja biomase, laktoza metabolizam i proizvodnju etanola u K. marxianus na relativno visokog intenziteta sonication od 11.8Wcm^-2. Pod najboljim uvjetima, sonication poboljšane konačne koncentracije etanola za gotovo 3,5 puta u odnosu na kontrolu. Ovo odgovara poboljšanje od 3,5 puta u etanolu produktivnost, ali je potrebno 952W dodatnih snaga po kubnom metru bujona kroz sonication. Ovaj dodatni uslov za energiju je svakako u okviru prihvatljivih operativnih normi za bioreaktora i, za visoke vrijednosti proizvoda, može se lako nadoknaditi povećane produktivnosti.

Zaključak: Koristi od Ultrasonično-Assisted Fermentacija

Ultrazvučni tretman je prikazan kao efikasan i inovativne tehnike kako bi se poboljšala prinos bioetanola. Prije svega, ultrazvuk se koristi za izdvajanje intracelularne materijala iz biomase, kao što su kukuruz, soja, slama, Ligno-celuloznih materijala ili biljnog otpada.

• Povećanje prinosa bioetanol
• Disinteration / Cell distruction i oslobađanje unutar ćelijskog materijala
• Poboljšana anaerobne razgradnje
• Aktivacija enzima blagim sonication
• Poboljšanje efikasnosti procesa visoka koncentracija emulzije

Jednostavnog testiranja, ponovljive scale-up i jednostavna instalacija (također u već postojeće proizvodne tokove) čini ultrazvuka profitabilna i efikasna tehnologija. Pouzdan industrijskih ultrazvučnog procesora za komercijalnu obradu dostupni su i da li je moguće da sonikacija praktično neograničen tečnost volumena.