Ultralydsassisteret fermentering til produktion af bioethanol

Ultralydsassisteret fermentering kan øge produktionen af bioethanol ved at fremme nedbrydningen af komplekse kulhydrater til enklere sukkerarter, så de bliver lettere tilgængelige for gærens omdannelse til ethanol. Samtidig forbedrer sonikering også effektiviteten af gærcellevæggens permeabilitet, hvilket muliggør hurtigere frigivelse af ethanol og øget samlet produktion. Derved resulterer ultralydsassisteret bioethanolfermentering i højere omdannelsesrater og større udbytter.

Fermentering

Fermentering kan være en aerob (= oxidativ fermentering) eller anaerob proces, som bruges i bioteknologiske anvendelser til at omdanne organisk materiale ved hjælp af bakterie-, svampe- eller andre biologiske cellekulturer eller enzymer. Ved fermentering udvindes energi fra oxidationen af organiske forbindelser, f.eks. kulhydrater.
Sukker er det mest almindelige substrat til fermentering, som efter fermenteringen resulterer i produkter såsom mælkesyre, laktose, ethanol og hydrogen. Ved alkoholisk fermentering fremstilles ethanol – især til brug som brændstof, men også til alkoholiske drikke – ved fermentering. Når visse gærstammer, såsom Saccharomyces cerevisiae , metaboliserer sukker, omdanner gærcellerne 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. Til bioethanol, der bruges som brændstof, kræves hydrolyse til omdannelse af stivelsen. Typisk fremskyndes hydrolysen ved syrebehandling eller enzymatisk behandling eller en kombination af begge. Normalt udføres fermentering ved omkring 35–40 °C.
Oversigt over forskellige fermenteringsprocesser:

Fødevarer:

• produktion & konservering
• mejeriprodukter (mælkesyrefermentering), f.eks. yoghurt, kærnemælk, kefir
• mælkesyrefermenterede grøntsager, f.eks. kimchi, miso, natto, tsukemono, surkål
• udvikling af aromastoffer, f.eks. sojasauce
• nedbrydning af garvestoffer, f.eks. te, kakao, kaffe, tobak
• alkoholiske drikke, f.eks. øl, vin, whisky

Lægemidler:

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

Biogas/ethanol:

• forbedring af produktionen af biogas/bioethanol

Forskellige forskningsartikler og forsøg i bord- og pilotskala har vist, at ultralyd forbedrer fermenteringsprocessen ved at gøre mere biomasse tilgængelig for den enzymatiske fermentering. I det følgende afsnit uddybes virkningerne af ultralyd i en væske.

Virkninger af væskebehandling med ultralyd

Med ultralyd med høj effekt og lav frekvens kan der genereres høje amplituder. Derved kan ultralyd med høj effekt og lav frekvens bruges til væskebehandling såsom blanding, emulgering, dispergering og deagglomerering eller formaling.
Ved sonikering af væsker med høj intensitet medfører lydbølgerne, der udbreder sig i de flydende medier, skiftende højtrykscyklusser (kompression) og lavtrykscyklusser (ekspansion) med hastigheder, der afhænger af frekvensen. Under lavtrykscyklussen danner ultralydsbølger med høj intensitet små vakuumbobler eller hulrum i væsken. Når boblerne når et volumen, hvor de ikke længere kan absorbere energi, kollapser de voldsomt under en højtrykscyklus. Dette fænomen kaldes kavitation. Kavitation, dvs. “dannelse, vækst og implosivt kollaps af bobler i en væske. Kavitationskollaps frembringer intens lokal opvarmning (~5000 K), høje tryk (~1000 atm) og enorme opvarmnings- og afkølingshastigheder (>109 K/sec)” og væskestråler (~400 km/h)”. (Suslick 1998)

Der findes forskellige metoder til at skabe kavitation, f.eks. højtryksdyser, rotor-stator-blandere eller ultralydsprocessorer. I alle disse systemer omdannes den tilførte energi til friktion, turbulens, bølger og kavitation. Den andel af den tilførte energi, der omdannes til kavitation, afhænger af flere faktorer, som beskriver bevægelsen af det kavitationsgenererende udstyr i væsken. Accelerationens intensitet er en af de vigtigste faktorer, der påvirker den effektive omdannelse af energi til kavitation. Højere acceleration skaber større trykforskelle. Dette øger igen sandsynligheden for dannelse af vakuumbobler frem for dannelse af bølger, der udbreder sig gennem væsken. Jo højere accelerationen er, desto større er således den andel af energien, der omdannes til kavitation.
For en ultralydstransducer beskriver svingningsamplituden accelerationens intensitet. Højere amplituder resulterer i en mere effektiv dannelse af kavitation. Ud over intensiteten bør væsken accelereres på en måde, der skaber minimale tab som følge af turbulens, friktion og bølgedannelse. Den optimale metode til dette er bevægelse i én retning. Ved at ændre sonikeringsprocessens intensitet og parametre kan ultralyd være meget kraftig eller meget skånsom. Dette gør ultralyd til et meget alsidigt værktøj til forskellige anvendelser.

Skånsomme anvendelser, hvor mild sonikering anvendes under milde betingelser, omfatter afgasning, emulgering og enzymaktivering. Kraftige anvendelser med ultralyd med høj intensitet/høj effekt (oftest under forhøjet tryk) er vådformaling, deagglomerering og reduktion af partikelstørrelse samt dispergering. For mange anvendelser såsom ekstraktion, disintegration eller sonokemi afhænger den nødvendige ultralydsintensitet af det specifikke materiale, der skal sonikeres. Takket være de mange forskellige parametre, der kan tilpasses den enkelte proces, gør ultralyd det muligt at finde det optimale punkt for hver enkelt proces.
Ud over en fremragende effektomdannelse giver sonikering den store fordel, at de vigtigste parametre kan kontrolleres fuldt ud: amplitude, tryk, temperatur, viskositet og koncentration. Dette giver mulighed for at justere alle disse parametre med det formål at finde de ideelle behandlingsparametre for hvert specifikt materiale. Dette resulterer i større virkning samt optimeret effektivitet.

Ultralyd til forbedring af fermenteringsprocesser, forklaret med produktion af bioethanol som eksempel

Bioethanol er et produkt af anaerobe eller aerobe bakteriers nedbrydning af biomasse eller bionedbrydeligt affaldsmateriale. 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 lignocelluloseholdigt materiale bruges som råmateriale. Til produktion i industriel skala dominerer sukker og stivelse i øjeblikket, da de er økonomisk fordelagtige.
Hvordan ultralyd forbedrer en kundespecifik proces med et bestemt råmateriale under givne betingelser, kan meget enkelt afprøves med gennemførlighedsforsøg. Som første trin vil sonikering af en lille mængde råmaterialesuspension med et ultralydslaboratorieapparat vise, om ultralyd påvirker råmaterialet.

Gennemførlighedsforsøg

I den første forsøgsfase er det hensigtsmæssigt at tilføre en relativt stor mængde ultralydsenergi til et lille væskevolumen, da dette øger muligheden for at se, om der kan opnås resultater. Et lille prøvevolumen forkorter også brugstiden for laboratorieudstyret og reducerer omkostningerne ved de første forsøg.
Ultralydsbølgerne overføres fra sonotrodens overflade til væsken. Under sonotrodens overflade er ultralydsintensiteten højest. Derfor foretrækkes korte afstande mellem sonotroden og det sonikerede materiale. Når et lille væskevolumen udsættes for sonikering, kan afstanden til sonotroden holdes kort.
Tabellen nedenfor viser typiske energi/volumen-niveauer for sonikeringsprocesser efter optimering. Da de første forsøg ikke vil blive udført med den optimale konfiguration, vil en sonikeringsintensitet og -tid på 10 til 50 gange den typiske værdi vise, om der er nogen virkning på det sonikerede materiale eller ej.

Proces	Energi/ volumen	Prøvevolumen	Effekt	Tid
Enkel	< 100Ws/mL	10mL	50W	< 20 sec
Middel	100Ws/mL til 500Ws/mL	10mL	50W	20 til 100 sec
Kraftig	> 500Ws/mL	10mL	50W	>100 sec

Tabel 1 – Typiske sonikeringsværdier efter procesoptimering

Den faktiske tilførte effekt under forsøgene kan registreres via integreret dataregistrering (UP200Ht og UP200St), pc-grænseflade eller en effektmåler. Sammen med de registrerede data for amplitudeindstilling og temperatur kan resultaterne af hvert forsøg evalueres, og der kan fastlægges et grundlag for energi/volumen-forholdet.
Hvis der under forsøgene er valgt en optimal konfiguration, kan denne konfigurations ydeevne verificeres under et optimeringstrin og til sidst opskaleres til kommercielt niveau. For at lette optimeringen anbefales det kraftigt også at undersøge grænserne for sonikering, f.eks. temperatur, amplitude eller energi/volumen for specifikke formuleringer. Da ultralyd kan have 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 der ikke observeres negative virkninger. Til gennemførlighedsundersøgelsen anbefales små laboratorie- eller bordapparater for at begrænse udgifterne til udstyr og prøver i sådanne forsøg. Generelt er apparater på 100 til 1.000 watt meget velegnede til gennemførlighedsundersøgelsens formål. (jf. Hielscher 2005)

Optimering

De resultater, der opnås under gennemførlighedsundersøgelserne, kan vise et ret højt energiforbrug i forhold til det lille behandlede volumen. Men formålet med gennemførlighedsforsøget er primært at vise ultralydens virkninger på materialet. Hvis der opstod positive virkninger under gennemførlighedsforsøgene, skal der gøres en yderligere indsats for at optimere energi/volumen-forholdet. Det betyder, at den ideelle konfiguration af ultralydsparametre skal undersøges for at opnå det højeste udbytte med det mindst mulige energiforbrug og dermed gøre processen så økonomisk fornuftig og effektiv som muligt. For at finde den optimale parameterkonfiguration – hvor de tilsigtede fordele opnås med minimal energitilførsel – skal sammenhængen mellem de vigtigste parametre amplitude, tryk, temperatur og væskens sammensætning undersøges. I dette andet trin anbefales det at skifte fra batchsonikering til et kontinuerligt sonikeringsanlæg med en flowcellereaktor, da den vigtige parameter tryk ikke kan påvirkes ved batchsonikering. Under sonikering i en batch er trykket begrænset til omgivelsestrykket. Hvis sonikeringsprocessen foregår i et flowcellekammer, der kan tryksættes, kan trykket øges (eller reduceres), hvilket generelt påvirker ultralydskavitationen markant. Ved at bruge en flowcelle kan sammenhængen mellem tryk og proceseffektivitet bestemmes. Ultralydsprocessorer med en effekt på mellem 500 watt og 2000 watt er bedst egnede til at optimere en proces.

Opskalering til kommerciel produktion

Hvis den optimale konfiguration er fundet, er den videre opskalering enkel, da ultralydsprocesser er fuldt reproducerbare ved lineær skalering. Det betyder, at når ultralyd anvendes på en identisk væskeformulering under en identisk konfiguration af behandlingsparametre, kræves den samme energi pr. volumen for at opnå et identisk resultat uafhængigt af behandlingens skala. (Hielscher 2005). Dette gør det muligt at anvende den optimale konfiguration af ultralydsparametre i fuldskalaproduktion. Det volumen, der kan behandles med ultralyd, er praktisk talt 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 installation af ultralydsprocessorer med høj effekt i klynger er den samlede effekt næsten ubegrænset, så store volumenstrømme kan behandles uden problemer. Hvis en tilpasning af ultralydssystemet er nødvendig, f.eks. for at justere parametrene til en ændret væskeformulering, kan dette også for det meste gøres ved at udskifte sonotrode, booster eller flowcelle. Ultralydens lineære skalerbarhed, reproducerbarhed og tilpasningsevne gør denne innovative teknologi effektiv og omkostningseffektiv.

Parametre for ultralydsbehandling

Væskebehandling med ultralyd beskrives ved en række parametre. De vigtigste er amplitude, tryk, temperatur, viskositet og koncentration. Procesresultatet, såsom partikelstørrelse, er for en given parameterkonfiguration en funktion af energien pr. behandlet volumen. Funktionen ændres, når de enkelte parametre ændres. Desuden afhænger den faktiske afgivne effekt pr. overfladeareal af en ultralydsenheds sonotrode af parametrene. Den afgivne effekt pr. overfladeareal af sonotroden er overfladeintensiteten (I). Overfladeintensiteten afhænger af amplituden (A), trykket (p), reaktorvolumenet (VR), temperaturen (T), viskositeten (η) og andre parametre.

Virkningen af den genererede kavitation afhænger af overfladeintensiteten. Procesresultatet korrelerer på samme måde. En ultralydsenheds samlede afgivne effekt er produktet af overfladeintensiteten (I) og overfladearealet (S):

P [W] I [W / mm²]* S[mm²]

Amplitude

Svingningsamplituden beskriver den strækning (f.eks. 50 µm), som sonotrodens overflade tilbagelægger i et givet tidsrum (f.eks. 1/20.000s ved 20kHz). Jo større amplituden er, desto højere er den hastighed, hvormed trykket falder og stiger ved hvert slag. Desuden øges volumenforskydningen ved hvert slag, hvilket resulterer i et større kavitationsvolumen (boblernes størrelse og/eller antal). Ved anvendelse på dispersioner har højere amplituder en større nedbrydende virkning på faste partikler. Tabel 1 viser generelle værdier for nogle ultralydsprocesser.

Tryk

En væskes kogepunkt afhænger af trykket. Jo højere trykket er, desto højere er kogepunktet og omvendt. Forhøjet tryk muliggør kavitation ved temperaturer tæt på eller over kogepunktet. Det øger også implosionens intensitet, 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 ved trykændringer, foretrækkes en pumpe med konstant tryk. Ved tilførsel af væske til en flowcelle bør pumpen kunne håndtere det specifikke væskeflow ved passende tryk. Diafragma- eller membranpumper; fleksible rørpumper, slangepumper eller klemningspumper; peristaltiske pumper; eller stempel- eller plungerpumper vil skabe vekslende trykudsving. Centrifugalpumper, tandhjulspumper, spiralpumper og ekscentersnekkepumper, der tilfører den væske, der skal sonikeres, ved et kontinuerligt stabilt tryk, foretrækkes. (Hielscher 2005)

Temperatur

Ved sonikering af en væske overføres effekt til mediet. Da ultralydsgenererede svingninger forårsager turbulens og friktion, vil den sonikerede væske – i overensstemmelse med termodynamikkens lov – blive opvarmet. Forhøjede temperaturer i det behandlede medium kan være skadelige for materialet og mindske virkningen af ultralydskavitation. Innovative ultralydsflowceller er udstyret med en kølekappe (se billede). Dette giver præcis kontrol over materialets temperatur under ultralydsbehandlingen. Til sonikering af mindre volumener i bægerglas anbefales et isbad til varmeafledning.

Viskositet og koncentration

Ultralydsbaseret formaling og dispergering er væskeprocesser. Partiklerne skal være i en suspension, f.eks. i vand, olie, opløsningsmidler eller harpikser. Ved brug af ultralydssystemer med gennemstrømning bliver det muligt at sonikere meget viskøst, pastaagtigt materiale.
En ultralydsprocessor med høj effekt kan anvendes ved ret høje koncentrationer af faste stoffer. En høj koncentration sikrer ultralydsbehandlingens virkning, da formalingseffekten ved ultralyd skyldes kollisioner mellem partikler. Undersøgelser har vist, at nedbrydningsraten for silica er uafhængig af koncentrationen af faste stoffer op til 50% efter vægt. Behandling af masterbatch med en høj koncentration af materiale er en almindelig produktionsmetode med sonikering.

Effekt og intensitet kontra energi

Overfladeintensiteten og den samlede effekt beskriver kun behandlingens intensitet. Det sonikerede prøvevolumen og eksponeringstiden ved en bestemt intensitet skal tages i betragtning for at beskrive en sonikeringsproces, så den bliver skalerbar og reproducerbar. For en given parameterkonfiguration afhænger procesresultatet, f.eks. partikelstørrelse eller kemisk omdannelse, af energien pr. volumen (E/V).

Resultat = f (E /V )

Hvor energien (E) er produktet af den afgivne effekt (P) og eksponeringstiden (t).

E[Ws] = P[W]*t[s]

Ændringer i parameterkonfigurationen vil ændre resultatfunktionen. Dette vil igen ændre den mængde energi (E), der kræves for en given prøveværdi (V) for at opnå en bestemt resultatværdi. Derfor er det ikke tilstrækkeligt at anvende en bestemt ultralydseffekt i en proces for at opnå et resultat. En mere avanceret tilgang er nødvendig for at identificere den nødvendige effekt og den parameterkonfiguration, hvorved effekten skal tilføres procesmaterialet. (Hielscher 2005)

Ultralydsassisteret produktion af bioethanol

Det er allerede kendt, at ultralyd forbedrer produktionen af bioethanol. Det anbefales at fortykke væsken med biomasse til en meget viskøs suspension, som stadig kan pumpes. Ultralydsreaktorer kan håndtere ret høje koncentrationer af faste stoffer, så sonikeringsprocessen kan gennemføres så effektivt som muligt. Jo mere materiale suspensionen indeholder, desto mindre bærevæske, som ikke har gavn af sonikeringsprocessen, vil blive behandlet. Da tilførsel af energi til en væske medfører opvarmning af væsken ifølge termodynamikkens lov, betyder dette, at ultralydsenergien tilføres målmaterialet i videst muligt omfang. Med et sådant effektivt procesdesign undgås unødig opvarmning af den overskydende bærevæske.
Ultralyd understøtter ekstraktionen af det intracellulære materiale og gør det dermed tilgængeligt for den enzymatiske fermentering. Mild ultralydsbehandling kan øge enzymaktiviteten, men til ekstraktion af biomasse kræves mere intens ultralyd. Derfor bør enzymerne tilsættes biomassesuspensionen efter sonikeringen, da intens ultralyd inaktiverer enzymer, hvilket er en uønsket virkning.

Aktuelle resultater opnået gennem videnskabelig forskning:

Undersøgelserne af Yoswathana et al. (2010) vedrørende produktion af bioethanol fra rishalm har vist, at kombinationen af syreforbehandling og ultralyd før enzymatisk behandling fører til et øget sukkerudbytte på op til 44% (på basis af rishalm). Dette viser virkningen af kombinationen af fysisk og kemisk forbehandling før enzymatisk hydrolyse af lignocelluloseholdigt materiale til sukker. 

Diagram 2 illustrerer grafisk de positive virkninger af ultralydsbestråling under produktion af bioethanol fra rishalm. (Trækul er blevet brugt til at afgifte de forbehandlede prøver fra syre-/enzymforbehandling og ultralydsforbehandling.)

I en anden nyere undersøgelse er sonikeringens påvirkning af de ekstracellulære og intracellulære niveauer af enzymet β-galactosidase blevet undersøgt. Sulaiman et al. (2011) kunne forbedre produktiviteten i bioethanolproduktionen betydeligt ved at bruge ultralyd ved en kontrolleret temperatur, som stimulerede væksten af gæren Kluyveromyces marxianus (ATCC 46537). Artiklens forfattere opsummerer, at intermitterende sonikering med effektultralyd (20 kHz) ved driftscyklusser på ≤20% stimulerede biomasseproduktion, laktosemetabolisme og ethanolproduktion i K. marxianus ved en relativt høj sonikeringsintensitet på 11,8Wcm². Under de bedste betingelser øgede sonikering den endelige ethanolkoncentration til næsten 3,5 gange kontrolværdien. Dette svarede til en 3,5 gange højere ethanolproduktivitet, men krævede 952W yderligere tilført effekt pr. kubikmeter fermenteringsvæske gennem sonikering. Dette yderligere energibehov lå helt klart inden for acceptable driftsnormer for bioreaktorer og kunne for produkter med høj værdi let opvejes af den øgede produktivitet.

Konklusion: Fordele ved ultralydsassisteret fermentering

Ultralydsbehandling har vist sig at være en effektiv og innovativ teknik til at øge bioethanoludbyttet. Ultralyd bruges primært til at ekstrahere intracellulært materiale fra biomasse såsom majs, sojabønner, halm, lignocelluloseholdigt materiale eller vegetabilske affaldsmaterialer.

• Øget bioethanoludbytte
• Disintegration/celledestruktion og frigivelse af intracellulært materiale
• Forbedret anaerob nedbrydning
• Aktivering af enzymer ved mild sonikering
• Forbedring af proceseffektiviteten med suspensioner med høj koncentration

De enkle forsøg, den reproducerbare opskalering og den nemme 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 praktisk talt ubegrænsede væskevolumener.