Ultralydassisteret gæring til bioethanolproduktion

Ultrasonisk assisteret gæring kan forbedre bioethanolproduktionen ved at fremme nedbrydningen af komplekse kulhydrater til enklere sukkerarter, hvilket gør dem lettere tilgængelige for gær at omdanne til ethanol. Samtidig forbedrer sonikering også effektiviteten af permeabiliteten af gærcellevæggen, hvilket giver mulighed for hurtigere frigivelse af ethanol og øget samlet produktion. Derved resulterer ultralydsassisteret bioethanolfermentering i højere konverteringsrater og forbedrede udbytter.

gæring

Fermentering kan være en aerob (= oxidativ gæring) eller anaerob proces, der bruges til bioteknologiske applikationer til at omdanne organisk materiale ved hjælp af bakterie-, svampe- eller andre biologiske cellekulturer eller af enzymer. Ved fermentering udvindes energi fra oxidation af organiske forbindelser, f.eks. kulhydrater.
Sukker er det mest almindelige substrat for gæring, der efter gæring resulterer i produkter som mælkesyre, laktose, ethanol og brint. Til alkoholgæring, ethanol – især til brug som brændstof, men også til alkoholholdige drikkevarer – produceres ved gæring. Når visse gærstammer, som f.eks. Saccharomyces cerevisiae metabolisere sukker, gærcellerne omdanner udgangsmaterialet til ethanol og kuldioxid.

De kemiske ligninger nedenfor opsummerer omdannelsen:

Hvis udgangsmaterialet er stivelse, f.eks. fra majs, skal stivelsen først omdannes til sukker. For bioethanol, der anvendes som brændstof, kræves hydrolyse til stivelsesomdannelse. Typisk fremskyndes hydrolysen ved sur eller enzymatisk behandling eller ved kombination af begge. Normalt udføres gæringen ved ca. 35-40 °C.
Oversigt over forskellige gæringsprocesser:

Mad:

• produktion & Bevarelse
• mejeriprodukter (mælkesyregæring), f.eks. yoghurt, kærnemælk, kefir
• mælkesyrefermenterede grøntsager, f.eks. kimchi, miso, natto, tsukemono, surkål
• udvikling af aromater, f.eks. sojasovs
• Nedbrydning af garvemidler, f.eks. te, kakao, kaffe, tobak
• alkoholiske drikkevarer, f.eks. øl, vin, whisky

Stoffer:

• produktion af medicinske forbindelser, f.eks. insulin, hyaluronsyre

Biogas/ethanol:

• forbedring af biogas/bioethanolproduktion

Forskellige forskningsartikler og tests i bord- og pilotstørrelse har vist, at ultralyd forbedrer fermenteringsprocessen ved at gøre mere biomasse tilgængelig til den enzymatiske fermentering. I det følgende afsnit vil virkningerne af ultralyd i en væske blive uddybet.

Virkninger af ultralydsvæskebehandling

Ved højeffekt/lavfrekvent ultralyd kan der genereres høje amplituder. Derved kan ultralyd med høj effekt/lavfrekvent ultralyd bruges til behandling af væsker såsom blanding, emulgering, dispergering og deagglomerering eller formaling.
Ved sonikering af væsker ved høje intensiteter resulterer lydbølgerne, der forplanter sig ind i det flydende medie, i skiftende højtryk (kompression) og lavtryk (sjældenhed) cyklusser, med hastigheder afhængigt af frekvensen. Under lavtrykscyklussen skaber ultralydsbølger med høj intensitet små vakuumbobler eller hulrum i væsken. Når boblerne opnår et volumen, hvor de ikke længere kan absorbere energi, kollapser de voldsomt under en højtrykscyklus. Dette fænomen kaldes kavitation. KavitationDet er “dannelse, vækst og implosivt kollaps af bobler i en væske. Kavitationelt kollaps producerer intens lokal opvarmning (~5000 K), høje tryk (~1000 atm) og enorme opvarmnings- og kølehastigheder (>109 K/sek.)” og flydende jetstrømme (~400 km/t)". (Suslick 1998)

Der er forskellige måder at skabe kavitation på, såsom ved højtryksdyser, rotor-statorblandere eller ultralydsprocessorer. I alle disse systemer omdannes inputenergien til friktion, turbulenser, bølger og kavitation. Den brøkdel af den tilførte energi, der omdannes til kavitation, afhænger af flere faktorer, der beskriver bevægelsen af det kavitationsgenererende udstyr i væsken. Accelerationsintensiteten er en af de vigtigste faktorer, der påvirker den effektive omdannelse af energi til kavitation. Højere acceleration skaber højere trykforskelle. Dette øger igen sandsynligheden for dannelsen af vakuumbobler i stedet for dannelsen af bølger, der forplanter sig gennem væsken. Jo højere acceleration, jo højere er den brøkdel af energien, der omdannes til kavitation.
I tilfælde af en ultralydstransducer beskriver svingningsamplituden accelerationsintensiteten. Højere amplituder resulterer i en mere effektiv skabelse af kavitation. Ud over intensiteten skal væsken accelereres på en måde, der skaber minimale tab med hensyn til turbulenser, friktion og bølgegenerering. Til dette er den optimale måde en ensidig bevægelsesretning. Ændring af intensiteten og parametrene for sonikeringsprocessen, ultralyd kan være meget hård eller meget blød. Dette gør ultralyd til et meget alsidigt værktøj til forskellige applikationer.

Bløde applikationer, der anvender mild sonikering under milde forhold, inkluderer Afgasning, Emulgeringog enzymaktivering. Hårde applikationer med ultralyd med høj intensitet / høj effekt (for det meste under forhøjet tryk) er våd-fræsning, deagglomeration & reduktion af partikelstørrelse og Sprede. Til mange applikationer som f.eks. Ekstraktion, opløsning eller Sonokemi, den ønskede ultralydsintensitet afhænger af det specifikke materiale, der skal sonikeres. Ved de mange forskellige parametre, som kan tilpasses den enkelte proces, gør ultralyd det muligt at finde det søde sted for hver enkelt proces.
Udover en fremragende effektkonvertering tilbyder ultralydbehandling den store fordel ved fuld kontrol over de vigtigste parametre: Amplitude, tryk, temperatur, viskositet og koncentration. Dette giver mulighed for at justere alle disse parametre med det formål at finde de ideelle bearbejdningsparametre for hvert specifikt materiale. Dette resulterer i højere effektivitet samt i optimeret effektivitet.

Ultralyd for at forbedre fermenteringsprocesser, forklaret eksemplarisk med bioethanolproduktionen

Bioethanol er et produkt af nedbrydning af biomasse eller bionedbrydeligt affald af anaerobe eller aerobe bakterier. Den producerede ethanol bruges hovedsageligt som biobrændstof. Dette gør bioethanol til et vedvarende og miljøvenligt alternativ til fossile brændstoffer, såsom naturgas.
Til fremstilling af ethanol fra biomasse kan sukker, stivelse og lignocellulosemateriale bruges som råmateriale. For industriel produktionsstørrelse er sukker og stivelse i øjeblikket fremherskende, da de er økonomisk gunstige.
Hvordan ultralyd forbedrer en kundeindividuel proces med specifikt råmateriale under givne forhold kan afprøves meget enkelt ved gennemførlighedstest. På første trin, sonikering af en lille mængde af råmaterialet opslæmning med en ultralyd Laboratorieudstyr vil vise, om ultralyd påvirker råmaterialet.

Test af gennemførlighed

I den første testfase er det velegnet at indføre en relativt høj mængde ultralydsenergi i et lille volumen væske, da chancen derved øges for at se, om der kan opnås resultater. En lille prøvemængde forkorter også tiden ved hjælp af en laboratorieenhed og reducerer omkostningerne til de første tests.
Ultralydsbølgerne overføres af sonotrodens overflade til væsken. Beneth sonotrode overfladen er ultralydsintensiteten mest intens. Derved foretrækkes korte afstande mellem sonotrode og sonikeret materiale. Når et lille væskevolumen udsættes, kan afstanden fra sonotroden holdes kort.
Nedenstående tabel viser typiske energi- / volumenniveauer for sonikeringsprocesser efter optimering. Da de første forsøg ikke køres ved optimal konfiguration, vil sonikeringsintensitet og tid med 10 til 50 gange af den typiske værdi vise, om der er nogen effekt på det sonikerede materiale eller ej.

Proces	Energi/ lydstyrke	Sample Volumen	Magt	Tidspunkt
simpel	< 100Ws / ml	10 ml	50W	< 20 sek.
Medium	100 Ws/ml til 500 Ws/ml	10 ml	50W	20 til 100 sek.
Hård	> 500Ws/ml	10 ml	50W	>100 sek.

Tabel 1 – Typiske sonikeringsværdier efter procesoptimering

Den faktiske effekttilførsel fra testkørslerne kan registreres via integreret dataregistrering (UP200Ht og UP200St), PC-interface eller med powermeter. I kombination med de registrerede data for amplitudeindstilling og temperatur kan resultaterne af hvert forsøg evalueres, og der kan etableres en bundlinje for energien/volumen.
Hvis der under testene er valgt en optimal konfiguration, kan denne konfigurationsydelse verificeres under et optimeringstrin og kan endelig skaleres op til kommercielt niveau. For at lette optimeringen anbefales det stærkt at undersøge grænserne for sonikering, f.eks. temperatur, amplitude eller energi / volumen for specifikke formuleringer. Da ultralyd kan generere negative virkninger på celler, kemikalier eller partikler, skal de kritiske niveauer for hver parameter undersøges for at begrænse den efterfølgende optimering til det parameterområde, hvor de negative virkninger ikke observeres. Til forundersøgelsen anbefales små laboratorie- eller bordenheder for at begrænse udgifterne til udstyr og prøver i sådanne forsøg. Generelt tjener 100 til 1.000 watt-enheder formålene med forundersøgelsen meget godt. (jf. Hielscher 2005)

optimering

De resultater, der er opnået under forundersøgelserne, kan vise et ret højt energiforbrug i forhold til den lille mængde, der behandles. Men formålet med gennemførlighedstesten er primært at vise effekten af ultralyd på materialet. Hvis der i gennemførlighedstest opstod positive effekter, skal der gøres en yderligere indsats for at optimere energi/volumen-forholdet. Det betyder at udforske den ideelle konfiguration af ultralydsparametre for at opnå det højeste udbytte ved at bruge den mindre energi, der er mulig for at gøre processen økonomisk mest rimelig og effektiv. For at finde den optimale parameterkonfiguration – Opnå de tilsigtede fordele med minimal energitilførsel – sammenhængen mellem de vigtigste parametre amplitude, tryk, temperatur og flydende sammensætning skal undersøges. I dette andet trin anbefales skiftet fra batch-sonikering til en kontinuerlig sonikeringsopsætning med flowcellereaktor, da den vigtige trykparameter ikke kan påvirkes for batch-sonikering. Under sonikering i en batch er trykket begrænset til omgivende tryk. Hvis sonikeringsprocessen passerer et tryksat flowcellekammer, kan trykket forhøjes (eller reduceres), hvilket generelt påvirker ultralyden Kavitation Drastisk. Ved at bruge en flowcelle kan sammenhængen mellem tryk og proceseffektivitet bestemmes. Ultralydsprocessorer mellem 500 watt og 2000 watt af kraft er bedst egnede til at optimere en proces.

Opskalering til kommerciel produktion

Hvis den optimale konfiguration er fundet, er den yderligere opskalering enkel, da ultralydsprocesser er fuldt reproducerbar på lineær skala. Det betyder, at når ultralyd påføres en identisk flydende formulering under identisk konfiguration af behandlingsparametre, kræves den samme energi pr. volumen for at opnå et identisk resultat uafhængigt af behandlingsomfanget. (Hielscher 2005). Det gør det muligt at implementere den optimale parameterkonfiguration af ultralyd til den fulde produktionsstørrelse. Stort set er volumen, der kan behandles ultralyd, ubegrænset. Kommercielle ultralydssystemer med op til 16.000 watt pr. enhed er tilgængelige og kan installeres i klynger. Sådanne klynger af ultralydsprocessorer kan installeres parallelt eller i serie. Ved klyngevis installation af ultralydsprocessorer med høj effekt er den samlede effekt næsten ubegrænset, så strømme med høj volumen kan behandles uden problemer. Også hvis en tilpasning af ultralydssystemet er påkrævet, f.eks. for at justere parametrene til en modificeret flydende formulering, kan dette for det meste gøres ved at skifte sonotrode, booster eller flowcelle. Den lineære skalerbarhed, reproducerbarheden og tilpasningsevnen af ultralyd gør denne innovative teknologi effektiv og omkostningseffektiv.

Parametre for ultralydsbehandling

Ultralydsvæskebehandling beskrives af en række parametre. De vigtigste er amplitude, tryk, temperatur, viskositet og koncentration. Procesresultatet, såsom partikelstørrelse, for en given parameterkonfiguration er en funktion af energien pr. behandlet volumen. Funktionen ændres med ændringer i individuelle parametre. Desuden afhænger den faktiske effekt pr. overfladeareal af sonotroden af en ultralydsenhed af parametrene. Udgangseffekten pr. overfladeareal af sonotroden er overfladeintensiteten (I). Overfladeintensiteten afhænger af amplituden (A), trykket (p), reaktorvolumenet (VR), temperaturen (T), viskositeten (η) og andre.

Virkningen af den genererede kavitation afhænger af overfladeintensiteten. På samme måde korrelerer procesresultatet. Den samlede effekt af en ultralydsenhed er produktet af overfladeintensitet (I) og overfladeareal (S):

p [w] Jeg [w / Mm²]* s[Mm²]

amplitude

Svingningsamplituden beskriver den måde (f.eks. 50 μm) sonotrodeoverfladen bevæger sig på en given tid (f.eks. 1/20.000s ved 20kHz). Jo større amplituden er, jo højere er den hastighed, hvormed trykket sænkes og øges ved hvert slag. Derudover øges volumenforskydningen af hvert slag, hvilket resulterer i et større kavitationsvolumen (boblestørrelse og/eller antal). Når det anvendes på dispersioner, viser højere amplituder en højere destruktivitet for faste partikler. Tabel 1 viser generelle værdier for nogle ultralydsprocesser.

tryk

En væskes kogepunkt afhænger af trykket. Jo højere tryk, jo højere er kogepunktet, og omvendt. Forhøjet tryk tillader kavitation ved temperaturer tæt på eller over kogepunktet. Det øger også intensiteten af implosionen, som er relateret til forskellen mellem det statiske tryk og damptrykket inde i boblen (jf. Vercet et al. 1999). Da ultralydseffekten og intensiteten ændres hurtigt med trykændringer, foretrækkes en konstanttrykspumpe. Ved tilførsel af væske til en flowcelle skal pumpen være i stand til at håndtere den specifikke væskestrøm ved passende tryk. membran- eller membranpumper; fleksible rør-, slange- eller klemmepumper; peristaltiske pumper; eller stempel- eller stempelpumpe vil skabe vekslende trykudsving. Centrifugalpumper, gearpumper, spiralpumper og progressive hulrumspumper, der leverer væsken, der skal sonikeres ved et kontinuerligt stabilt tryk, foretrækkes. (Hielscher 2005)

temperatur

Ved at sonikere en væske overføres strøm til mediet. Da ultralydgenereret oscillation forårsager turbulenser og friktion, den sonikerede væske - i overensstemmelse med loven om termodynamik – vil varme op. Forhøjede temperaturer på det forarbejdede medium kan være ødelæggende for materialet og mindske effektiviteten af ultralydskavitation. Innovative ultralydsflowceller er udstyret med en kølekappe (se billede). På den måde gives den nøjagtige kontrol over materialets temperatur under ultralydsbehandling. Til bægersonikering af mindre volumener anbefales et isbad til varmeafledning.

Viskositet og koncentration

Ultralyd Fræsning og Sprede er flydende processer. Partiklerne skal være i en suspension, f.eks. i vand, olie, opløsningsmidler eller harpikser. Ved brug af ultralydsgennemstrømningssystemer bliver det muligt at sonikere meget tyktflydende, pastaagtigt materiale.
Ultralydsprocessor med høj effekt kan køres ved ret høje koncentrationer af faste stoffer. En høj koncentration giver effektiviteten af ultralydsbehandling, da ultralydsfræseeffekten er forårsaget af inter-partikelkollision. Undersøgelser har vist, at brudhastigheden af silica er uafhængig af den faste koncentration op til 50 vægtprocent. Behandlingen af masterbatcher med stærkt koncentreret materiales forhold er en almindelig produktionsprocedure ved hjælp af ultralydbehandling.

Kraft og intensitet vs. energi

Overfladeintensitet og total effekt beskriver kun intensiteten af behandlingen. Det sonikerede prøvevolumen og eksponeringstidspunktet ved en vis intensitet skal overvejes for at beskrive en sonikeringsproces for at gøre den skalerbar og reproducerbar. For en given parameterkonfiguration vil procesresultatet, f.eks. partikelstørrelse eller kemisk omdannelse, afhænge af energien pr. volumen (E/V).

Resultat = F (E /V )

Hvor energien (E) er produktet af udgangseffekten (P) og eksponeringstiden (t).

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

Ændringer i parameterkonfigurationen vil ændre resultatfunktionen. Dette vil igen variere mængden af energi (E), der kræves for en given prøveværdi (V) for at opnå en bestemt resultatværdi. Af denne grund er det ikke nok at anvende en vis ultralydseffekt til en proces for at få et resultat. En mere sofistikeret tilgang er påkrævet for at identificere den nødvendige effekt og den parameterkonfiguration, hvormed strømmen skal sættes ind i procesmaterialet. (Hielscher 2005)

Ultralydassisteret produktion af bioethanol

Det er allerede kendt, at ultralyd forbedrer bioethanolproduktionen. Det anbefales at fortykke væsken med biomasse til en meget tyktflydende gylle, der stadig er pumpbar. Ultralydsreaktorer kan håndtere temmelig høje faste koncentrationer, så sonikeringsprocessen kan køres mest effektivt. Jo mere materiale der er indeholdt i opslæmningen, jo mindre bærevæske, som ikke vil drage fordel af sonikeringsprocessen, vil blive behandlet. Da tilførslen af energi til en væske forårsager en opvarmning af væsken ved termodynamikkens lov, betyder det, at ultralydsenergien så vidt muligt påføres målmaterialet. Ved et så effektivt procesdesign undgås en spild opvarmning af den overskydende bærevæske.
Ultralyd hjælper Ekstraktion af det intracellulære materiale og gør det derved tilgængeligt for den enzymatiske gæring. Mild ultralydsbehandling kan øge enzymatisk aktivitet, men til biomasseekstraktion kræves mere intens ultralyd. Derfor bør enzymerne tilsættes til biomasseopslæmningen efter sonikeringen, da intens ultralyd inaktiverer enzymer, hvilket ikke er en ønsket effekt.

Aktuelle resultater opnået ved videnskabelig forskning:

Undersøgelserne af Yoswathana et al. (2010) vedrørende bioethanolproduktion fra rishalm har vist, at kombinationen af syreforbehandling og ultralyd før enzymatisk behandling fører til et øget sukkerudbytte på op til 44% (på rishalmbasis). Dette viser effektiviteten af kombinationen af fysisk og kemisk forbehandling før enzymatisk hydrolyse af lignocellulosemateriale til sukker.

Figur 2 illustrerer de positive virkninger af ultralydsbestråling under bioethanolproduktionen fra rishalm grafisk. (Trækul er blevet brugt til at afgifte de forbehandlede prøver fra syre/enzym forbehandling og ultralydsforbehandling.)

I en anden nylig undersøgelse er indflydelsen af ultralydbehandling på de ekstracellulære og de intracellulære niveauer af β-galactosidase-enzym blevet undersøgt. Sulaiman et al. (2011) kunne forbedre produktiviteten af bioethanolproduktion betydeligt ved hjælp af ultralyd ved en kontrolleret temperatur, der stimulerer gærvæksten af Kluyveromyces marxianus (ATCC 46537). Forfatterne af papiret gentager, at intermitterende sonikering med ultralyd (20 kHz) ved driftscyklusser på ≤20% stimulerede biomasseproduktion, laktosemetabolisme og ethanolproduktion i K. marxianus ved en relativt høj sonikeringsintensitet på 11,8 Wcm⁻². Under de bedste forhold forbedrede sonikering den endelige ethanolkoncentration med næsten 3,5 gange i forhold til kontrol. Dette svarede til en 3,5 gange forbedring af ethanolproduktiviteten, men krævede 952W ekstra strømtilførsel pr. kubikmeter bouillon gennem sonikering. Dette yderligere energibehov lå helt sikkert inden for acceptable driftsnormer for bioreaktorer og kunne for produkter af høj værdi let opvejes af den øgede produktivitet.

Konklusion: Fordele ved ultralydassisteret gæring

Ultralydsbehandling har vist sig at være en effektiv og innovativ teknik til at øge bioethanoludbyttet. Primært bruges ultralyd til at udvinde intracellulært materiale fra biomasse, såsom majs, sojabønner, halm, ligno-cellulosemateriale eller vegetabilske affaldsmaterialer.

• Stigning i bioethanoludbyttet
• Disinteration/ Celledestruktion og frigivelse af intracellulært materiale
• Forbedret anaerob nedbrydning
• Aktivering af enzymer ved mild sonikering
• Forbedring af proceseffektiviteten ved hjælp af højkoncentrerede gylle

Den enkle test, reproducerbar opskalering og nem installation (også i allerede eksisterende produktionsstrømme) gør ultralyd til en rentabel og effektiv teknologi. Pålidelige industrielle ultralydsprocessorer til kommerciel behandling er tilgængelige og gør det muligt at sonikere næsten ubegrænsede væskemængder.