Ultrazvukem asistovaná fermentace pro výrobu bioetanolu
Ultrazvukem asistovaná fermentace může zvýšit produkci bioetanolu tím, že podporuje rozklad složitých sacharidů na jednodušší cukry, díky čemuž jsou snadněji dostupné pro kvasinky k přeměně na etanol. Současně sonikace také zlepšuje účinnost propustnosti buněčné stěny kvasinek, což umožňuje rychlejší uvolňování etanolu a zvýšení celkové produkce. Ultrazvukem asistovaná fermentace bioetanolu tak vede k vyšším konverzním poměrům a zvýšeným výnosům.
fermentace
Fermentace může být aerobní (= oxidační fermentace) nebo anaerobní proces, který se používá v biotechnologických aplikacích k přeměně organického materiálu bakteriálními, houbovými nebo jinými biologickými buněčnými kulturami nebo enzymy. Fermentací se získává energie oxidací organických sloučenin, např. sacharidů.
Cukr je nejběžnějším substrátem fermentace, jejímž výsledkem po fermentaci jsou produkty, jako je kyselina mléčná, laktóza, etanol a vodík. Pro alkoholové kvašení, etanol – zejména pro použití jako palivo, ale také pro alkoholické nápoje – se vyrábí fermentací. Když některé kmeny kvasinek, jako je Saccharomyces cerevisiae Metabolizují cukr, kvasinkové buňky přeměňují výchozí materiál na etanol a oxid uhličitý.
Níže uvedené chemické rovnice shrnují převod:
Pokud je výchozím materiálem škrob, např. z kukuřice, musí se škrob nejprve přeměnit na cukr. U bioetanolu používaného jako palivo je nutná hydrolýza pro přeměnu škrobu. Hydrolýza se obvykle urychlí kyselou nebo enzymatickou úpravou nebo kombinací obou. Obvykle se fermentace provádí při teplotě kolem 35–40 °C.
Přehled o různých fermentačních procesech:
Jídlo:
- výroba & zachování
- mléčné výrobky (mléčné kvašení), např. jogurt, podmáslí, kefír
- mléčná kvašená zelenina, např. kimchi, miso, natto, tsukemono, kysané zelí
- vývoj aromatických látek, např. sójové omáčky
- rozklad tříslovin, např. čaje, kakaa, kávy, tabáku
- alkoholické nápoje, např. pivo, víno, whisky
Drogy:
- výroba léčivých látek, např. inzulínu, kyseliny hyaluronové
Bioplyn / etanol:
- zlepšení výroby bioplynu/bioetanolu
Různé výzkumné práce a testy ve stolní a pilotní velikosti ukázaly, že ultrazvuk zlepšuje proces fermentace tím, že zpřístupňuje více biomasy pro enzymatickou fermentaci. V následující části se budeme zabývat účinky ultrazvuku v kapalině.
Účinky ultrazvukového zpracování kapalin
Ultrazvukem s vysokým výkonem / nízkou frekvencí lze generovat vysoké amplitudy. Tímto způsobem lze vysokovýkonový/nízkofrekvenční ultrazvuk použít pro zpracování kapalin, jako je míchání, emulgace, dispergace a deaglomerace nebo mletí.
Při sonikaci kapalin s vysokou intenzitou mají zvukové vlny, které se šíří do kapalného média, za následek střídání vysokotlakých (kompresních) a nízkotlakých (zředění) cyklů, přičemž rychlosti závisí na frekvenci. Během nízkotlakého cyklu vytvářejí ultrazvukové vlny s vysokou intenzitou v kapalině malé vakuové bubliny nebo dutiny. Když bubliny dosáhnou objemu, při kterém již nemohou absorbovat energii, během vysokotlakého cyklu se prudce zhroutí. Tento jev se nazývá kavitace. kavitaceTo je “tvorba, růst a implozivní skládání bublin v kapalině. Kavitační kolaps produkuje intenzivní místní ohřev (~5000 K), vysoké tlaky (~1000 atm) a enormní rychlosti ohřevu a chlazení (>109 K/s)” a kapalné proudy (~400 km/h)". (Šušlick 1998)
V případě ultrazvukového snímače amplituda oscilace popisuje intenzitu zrychlení. Vyšší amplitudy mají za následek efektivnější vytváření kavitace. Kromě intenzity by kapalina měla být urychlena tak, aby se vytvořily minimální ztráty, pokud jde o turbulence, tření a generování vln. Optimálním způsobem je jednostranný směr pohybu. Při změně intenzity a parametrů procesu sonikace může být ultrazvuk velmi tvrdý nebo velmi měkký. Díky tomu je ultrazvuk velmi univerzálním nástrojem pro různé aplikace.

Obrázek 1 – ultrazvukové laboratorní zařízení UP100H (100 W) pro testy proveditelnosti
Kromě vynikající přeměny energie nabízí ultrazvuku velkou výhodu plné kontroly nad nejdůležitějšími parametry: amplitudou, tlakem, teplotou, viskozitou a koncentrací. To nabízí možnost upravit všechny tyto parametry s cílem najít ideální parametry zpracování pro každý konkrétní materiál. To má za následek vyšší účinnost a také optimalizovanou účinnost.
Ultrazvuk pro zlepšení fermentačních procesů, exemplárně vysvětlen při výrobě bioetanolu
Bioetanol je produktem rozkladu biomasy nebo biologicky rozložitelných látek odpadu anaerobními nebo aerobními bakteriemi. Vyrobený etanol se používá především jako biopalivo. Díky tomu je bioetanol obnovitelnou a ekologickou alternativou fosilních paliv, jako je zemní plyn.
K výrobě etanolu z biomasy lze jako vstupní surovinu použít cukr, škrob a lignocelulózový materiál. Pro velikost průmyslové výroby v současné době převládá cukr a škrob, protože jsou ekonomicky výhodné.
Jak ultrazvuk zlepšuje individuální proces zákazníka s konkrétními surovinami za daných podmínek, lze velmi jednoduše vyzkoušet pomocí testů proveditelnosti. V prvním kroku sonikace malého množství suspenze suroviny ultrazvukovým Laboratorní přístroj ukáže, zda ultrazvuk ovlivňuje vstupní surovinu.
Testování proveditelnosti
V první fázi testování je vhodné zavést relativně velké množství ultrazvukové energie do malého objemu kapaliny, protože se tak zvyšuje šance, zda lze získat nějaké výsledky. Malý objem vzorku také zkracuje dobu používání laboratorního přístroje a snižuje náklady na první testy.
Ultrazvukové vlny jsou přenášeny povrchem sonotrody do kapaliny. Na povrchu sonotrody je intenzita ultrazvuku nejintenzivnější. Tím pádem jsou preferovány krátké vzdálenosti mezi sonotrodem a sonikovaným materiálem. Když je vystaven malý objem kapaliny, vzdálenost od sonotrody může být krátká.
Níže uvedená tabulka ukazuje typické úrovně energie / objemu pro procesy sonikace po optimalizaci. Vzhledem k tomu, že první pokusy nebudou spuštěny v optimální konfiguraci, intenzita a čas sonikace 10 až 50krát typické hodnoty ukáže, zda existuje nějaký účinek na sonikovaný materiál nebo ne.
Proces |
Energie/ hlasitost |
Objem vzorku |
Moc |
Čas |
jednoduchý |
< 100Ws/mL |
10mL |
50W |
< 20 sekund |
Středně |
100 Ws/ml až 500 Ws/ml |
10mL |
50W |
20 až 100 sekund |
Tvrdý |
> 500Ws/ml |
10mL |
50W |
>100 sekund |
Tabulka 1 – Typické hodnoty sonikace po optimalizaci procesu
Skutečný příkon zkušebních jízd lze zaznamenávat pomocí integrovaného záznamu dat (UP200Ht a UP200St), PC rozhraním nebo měřičem výkonu. V kombinaci se zaznamenanými údaji o nastavení amplitudy a teplotě lze vyhodnotit výsledky každého pokusu a stanovit konečný výsledek pro energii/objem.
Pokud byla během testů zvolena optimální konfigurace, mohl být tento výkon konfigurace ověřen během optimalizačního kroku a mohl být nakonec rozšířen na komerční úroveň. Pro usnadnění optimalizace se důrazně doporučuje prozkoumat limity sonikace, např. teplotu, amplitudu nebo energii/objem také pro konkrétní formulace. Vzhledem k tomu, že ultrazvuk by mohl mít negativní účinky na buňky, chemikálie nebo částice, je třeba prozkoumat kritické úrovně pro každý parametr, aby se následující optimalizace omezila na rozsah parametrů, kde nejsou pozorovány negativní účinky. Pro studii proveditelnosti se doporučují malé laboratorní nebo stolní jednotky, aby se omezily náklady na vybavení a vzorky v takových studiích. Obecně platí, že jednotky o výkonu 100 až 1 000 wattů slouží účelům studie proveditelnosti velmi dobře. (srov. Hielscher 2005)
optimalizace
Výsledky dosažené během studií proveditelnosti mohou ukázat poměrně vysokou spotřebu energie vzhledem k malému zpracovávanému objemu. Účelem testu proveditelnosti je však především prokázat účinky ultrazvuku na materiál. Pokud se při testování proveditelnosti vyskytly pozitivní účinky, je třeba vynaložit další úsilí na optimalizaci poměru energie a objemu. To znamená prozkoumat ideální konfiguraci ultrazvukových parametrů tak, aby bylo dosaženo co nejvyššího výtěžku s využitím co nejmenšího množství energie, aby byl proces ekonomicky co nejrozumnější a nejefektivnější. Nalezení optimální konfigurace parametrů – Dosažení zamýšlených přínosů s minimálním energetickým příkonem – korelace mezi nejdůležitějšími parametry amplituda, tlak, teplota a kapalina složení musí být vyšetřeno. V tomto druhém kroku se doporučuje změna z dávkové sonikace na kontinuální sonikaci s reaktorem s průtokovými buňkami, protože důležitý parametr tlaku nelze ovlivnit pro dávkovou sonikaci. Během sonikace v dávce je tlak omezen na okolní tlak. Pokud proces sonikace prochází tlakovou komorou průtokové buňky, může být tlak zvýšen (nebo snížen), což obecně ovlivňuje ultrazvukové kavitace drasticky. Použitím průtočné cely lze určit korelaci mezi tlakem a účinností procesu. Ultrazvukové procesory mezi 500 wattů a 2000 wattů výkonu jsou nejvhodnější pro optimalizaci procesu.
Škálování na komerční výrobu
Pokud byla nalezena optimální konfigurace, je další škálování jednoduché, stejně jako ultrazvukové procesy plně reprodukovatelné v lineárním měřítku. To znamená, že když je ultrazvuk aplikován na identickou kapalnou formulaci za identické konfigurace parametrů zpracování, je zapotřebí stejná energie na objem k získání identického výsledku nezávislého na rozsahu zpracování. (Hielscher 2005). To umožňuje implementovat optimální konfiguraci parametrů ultrazvuku na plnou velikost výroby. Prakticky je objem, který lze zpracovat ultrazvukem, neomezený. Komerční ultrazvukové systémy s až 16 000 wattů na jednotku jsou k dispozici a mohou být instalovány ve skupinách. Takové shluky ultrazvukových procesorů mohou být instalovány paralelně nebo v sérii. Díky instalaci vysoce výkonných ultrazvukových procesorů v clusterech je celkový výkon téměř neomezený, takže lze bez problémů zpracovávat velké objemy toků. Také pokud je vyžadována úprava ultrazvukového systému, např. pro úpravu parametrů na modifikovanou kapalnou formulaci, lze to většinou provést změnou sonotrody, posilovače nebo průtokové cely. Díky lineární škálovatelnosti, reprodukovatelnosti a přizpůsobivosti ultrazvuku je tato inovativní technologie účinná a nákladově efektivní.

Obrázek 3 – Průmyslový ultrazvukový procesor UIP16000 s výkonem 16 000 W
Parametry ultrazvukového zpracování
Ultrazvukové zpracování kapalin je popsáno řadou parametrů. Nejdůležitější jsou amplituda, tlak, teplota, viskozita a koncentrace. Výsledek procesu, jako je velikost částic, pro danou konfiguraci parametrů je funkcí energie na zpracovaný objem. Funkce se mění se změnami v jednotlivých parametrech. Kromě toho skutečný výstupní výkon na plochu sonotrody ultrazvukové jednotky závisí na parametrech. Výstupní výkon na plochu sonotrody je povrchová intenzita (I). Intenzita povrchu závisí na amplitudě (A), tlaku (p), objemu reaktoru (VR), teplotě (T), viskozitě (η) a dalších.

Kavitační dopad ultrazvukového zpracování závisí na intenzitě povrchu, která je popsána amplitudou (A), tlakem (p), objemem reaktoru (VR), teplotou (T), viskozitou (η) a dalšími. Znaménka plus a mínus označují pozitivní nebo negativní vliv konkrétního parametru na intenzitu sonikace.
Dopad generované kavitace závisí na intenzitě povrchu. Stejným způsobem koreluje výsledek procesu. Celkový výkon ultrazvukové jednotky je součinem intenzity povrchu (I) a plochy povrchu (S):
p [w] já [w / milimetr²]* s[milimetr²]
amplituda
Amplituda oscilace popisuje způsob, jakým (např. 50 μm) se povrch sonotrody pohybuje za daný čas (např. 1/20 000 s při 20 kHz). Čím větší je amplituda, tím vyšší je rychlost, s jakou se tlak snižuje a zvyšuje při každém zdvihu. Kromě toho se objemový posun každého tahu zvyšuje, což má za následek větší objem kavitace (velikost a/nebo počet bublin). Při aplikaci na disperze vykazují vyšší amplitudy vyšší destruktivitu pro pevné částice. Tabulka 1 ukazuje obecné hodnoty pro některé ultrazvukové procesy.
tlak
Bod varu kapaliny závisí na tlaku. Čím vyšší je tlak, tím vyšší je bod varu a zpět. Zvýšený tlak umožňuje kavitaci při teplotách blízkých nebo nad bodem varu. Zvyšuje také intenzitu imploze, která souvisí s rozdílem mezi statickým tlakem a tlakem par uvnitř bubliny (srov. Vercet et al. 1999). Vzhledem k tomu, že ultrazvukový výkon a intenzita se rychle mění se změnami tlaku, je vhodnější čerpadlo s konstantním tlakem. Při přivádění kapaliny do průtočné cely by čerpadlo mělo být schopno zvládnout specifický průtok kapaliny při vhodných tlacích. Membránová nebo membránová čerpadla; ohebná trubicová, hadicová nebo stlačovací čerpadla; peristaltická čerpadla; nebo pístové nebo pístové čerpadlo bude vytvářet střídavé kolísání tlaku. Upřednostňují se odstředivá čerpadla, zubová čerpadla, spirálová čerpadla a progresivní dutinová čerpadla, která dodávají kapalinu, která má být sonikována, při trvale stabilním tlaku. (Hielscher 2005)
teplota
Sonikací kapaliny se energie přenáší do média. Vzhledem k tomu, že ultrazvukem generovaná oscilace způsobuje turbulence a tření, sonikovaná kapalina - v souladu se zákonem termodynamiky – zahřeje se. Zvýšené teploty zpracovávaného média mohou být pro materiál destruktivní a snížit účinnost ultrazvukové kavitace. Inovativní ultrazvukové průtokové cely jsou vybaveny chladicím pláštěm (viz obrázek). Tím je zajištěna přesná kontrola nad teplotou materiálu během ultrazvukového zpracování. Pro sonikaci kádinek menších objemů se doporučuje ledová lázeň pro odvod tepla.

Obrázek 3 – Ultrazvukový měnič UIP1000hd řekl: (1000 W) s průtočnou celou vybavenou chladicím pláštěm – typické zařízení pro optimalizační kroky nebo malosériovou výrobu
Viskozita a koncentrace
ultrazvukový drcení a Dispergující jsou kapalné procesy. Částice musí být v suspenzi, např. ve vodě, oleji, rozpouštědlech nebo pryskyřicích. Použitím ultrazvukových průtokových systémů je možné sonikovat velmi viskózní, pastovitý materiál.
Vysoce výkonný ultrazvukový procesor lze provozovat při poměrně vysokých koncentracích pevných látek. Vysoká koncentrace zajišťuje účinnost ultrazvukového zpracování, protože ultrazvukový frézovací efekt je způsoben kolizí mezi částicemi. Výzkumy ukázaly, že rychlost rozbití oxidu křemičitého je nezávislá na koncentraci pevných látek až do 50 % hmotnosti. Zpracování hlavních šarží s vysoce koncentrovaným poměrem materiálu je běžný výrobní postup využívající ultrazvuku.
Výkon a intenzita vs. energie
Intenzita povrchu a celkový výkon popisují pouze intenzitu zpracování. Objem sonikovaného vzorku a doba expozice při určité intenzitě je třeba vzít v úvahu při popisu procesu ultrazvuku, aby byl škálovatelný a reprodukovatelný. Pro danou konfiguraci parametrů bude výsledek procesu, např. velikost částic nebo chemická přeměna, záviset na objemové energii (E/V).
Výsledek = F (E /V )
Kde energie (E) je součinem výstupního výkonu (P) a doby expozice (t).
E[Ws] = p[w]*t[s]
Změny v konfiguraci parametrů změní výslednou funkci. To zase změní množství energie (E) potřebné pro danou hodnotu vzorku (V) k získání konkrétní výsledné hodnoty. Z tohoto důvodu nestačí nasadit určitou sílu ultrazvuku do procesu, aby se dosáhlo výsledku. Je zapotřebí sofistikovanější přístup k identifikaci požadovaného výkonu a konfigurace parametrů, při kterých by měl být výkon vložen do procesního materiálu. (Hielscher 2005)
Ultrazvukem asistovaná výroba bioetanolu
Je již známo, že ultrazvuk zlepšuje produkci bioetanolu. Doporučuje se zahustit kapalinu biomasou na vysoce viskózní suspenzi, která je stále čerpatelná. Ultrazvukové reaktory zvládnou poměrně vysoké koncentrace pevných látek, takže proces sonikace může být nejúčinnější. Čím více materiálu je obsaženo v kejdě, tím méně nosné kapaliny, která nebude profitovat z procesu sonikace, bude ošetřeno. Vzhledem k tomu, že vstup energie do kapaliny způsobuje zahřívání kapaliny podle zákona termodynamiky, znamená to, že ultrazvuková energie je aplikována na cílový materiál, pokud je to možné. Takto efektivním návrhem procesu se zabrání nehospodárnému zahřívání přebytečné nosné kapaliny.
Ultrazvuk pomáhá Extrakce intracelulárního materiálu a tím jej zpřístupňuje pro enzymatickou fermentaci. Mírné ultrazvukové ošetření může zvýšit enzymatickou aktivitu, ale pro extrakci biomasy bude vyžadován intenzivnější ultrazvuk. Enzymy by proto měly být přidány do suspenze biomasy po sonikaci, protože intenzivní ultrazvuk inaktivuje enzymy, což není žádoucí účinek.
Současné výsledky dosažené vědeckým výzkumem:
Studie Yoswathana et al. (2010) zabývající se výrobou bioetanolu z rýžové slámy ukázaly, že kombinace kyselé předúpravy a ultrazvukové před enzymatickou úpravou vede ke zvýšení výtěžnosti cukru až o 44 % (na bázi rýžové slámy). To ukazuje účinnost kombinace fyzikální a chemické předúpravy před enzymatickou hydrolýzou lignocelulózového materiálu na cukr.
Graf 2 graficky znázorňuje pozitivní účinky ultrazvukového ozařování při výrobě bioetanolu z rýžové slámy. (Dřevěné uhlí bylo použito k detoxikaci předupravených vzorků z předúpravy kyselinou/enzymy a ultrazvukové předúpravy.)
V jiné nedávné studii byl zkoumán vliv ultrazvuku na extracelulární a intracelulární hladiny enzymu β-galaktosidázy. Sulaiman et al. (2011) by mohli podstatně zlepšit produktivitu výroby bioetanolu pomocí ultrazvuku při kontrolované teplotě stimulující růst kvasinek Kluyveromyces marxianus (ATCC 46537). Autoři článku pokračují, že přerušovaná sonikace výkonovým ultrazvukem (20 kHz) v pracovních cyklech ≤20% stimulovala produkci biomasy, metabolismus laktózy a produkci etanolu v K. marxianus při relativně vysoké intenzitě sonikace 11,8 Wcm−2. Za nejlepších podmínek sonikace zvýšila konečnou koncentraci ethanolu téměř 3,5krát ve srovnání s kontrolou. To odpovídalo 3,5násobnému zvýšení produktivity etanolu, ale vyžadovalo 952 W dodatečného příkonu na metr krychlový vývaru prostřednictvím sonikace. Tato dodatečná potřeba energie byla jistě v rámci přijatelných provozních norem pro bioreaktory a u produktů s vysokou hodnotou mohla být snadno kompenzována zvýšenou produktivitou.
Závěr: Výhody ultrazvukem asistované fermentace
Ultrazvukové ošetření se ukázalo jako účinná a inovativní technika pro zvýšení výtěžnosti bioetanolu. Ultrazvuk se primárně používá k extrakci intracelulárního materiálu z biomasy, jako je kukuřice, sójové boby, sláma, lignocelulózový materiál nebo rostlinné odpadní materiály.
- Zvýšení výtěžnosti bioetanolu
- Disinterace / Buněčná destrukce a uvolnění intracelulárního materiálu
- Zlepšený anaerobní rozklad
- Aktivace enzymů mírnou sonikací
- Zlepšení efektivity procesu díky suspenzím s vysokou koncentrací
Jednoduché testování, reprodukovatelné škálování a snadná instalace (také v již existujících výrobních tocích) činí z ultrazvuku ziskovou a efektivní technologii. K dispozici jsou spolehlivé průmyslové ultrazvukové procesory pro komerční zpracování, které umožňují sonikovat prakticky neomezené objemy kapalin.

Picure 4 – Nastavení s 1000W ultrazvukovým procesorem UIP1000hd řekl:, průtoková cela, nádrž a čerpadlo
Kontaktujte nás! / Zeptejte se nás!
Literatura/Odkazy
- Luft, L., Confortin, T.C., Todero, I. a kol. (2019): Ultrazvuková technologie pro zvýšení enzymatické hydrolýzy pivovarského mláta a jeho potenciál pro produkci zkvasitelných cukrů. Odpadní biomasa Valor 10, 2019. 2157–2164.
- Velmurugan, R. a Incharoensakdi, A. (2016): Správné ultrazvukové ošetření zvyšuje produkci etanolu při současném zcukernatění a fermentaci bagasy z cukrové třtiny. RSC Advances, 6(94), 2016. 91409-91419.
- Sulaiman, A. Z.; Ajit, A.; Yunus, R. M.; Cisti, Y. (2011): Fermentace za pomoci ultrazvuku zvyšuje produktivitu bioetanolu. Časopis biochemického inženýrství 54/2011. str. 141–150.
- Nasirpour, N., Ravanshad, O. & Mousavi, S.M. (2023): Ultrazvukem asistovaná kyselá a iontová kapalná hydrolýza mikrořas pro výrobu bioetanolu. Biomasa Conv. Bioref. 13, 2023. 16001–16014.
- Nikolic, S.; Mojovič, L.; Rakin, M.; Pejin, D.; Pejin, J. (2010): Ultrazvukem asistovaná výroba bioetanolu simoultanovým zcukernatěním a fermentací kukuřičného šrotu. In: Potravinářská chemie 122/2010. str. 216-222.