Ultraschallunterstützte Fermentation zur Bioethanolproduktion

Die ultraschallunterstützte Fermentation kann die Bioethanolproduktion steigern, indem sie den Abbau komplexer Kohlenhydrate zu einfacheren Zuckern fördert, die Hefen leichter zu Ethanol umsetzen können. Gleichzeitig verbessert die Beschallung die Durchlässigkeit der Hefezellwand, wodurch Ethanol schneller freigesetzt und die Gesamtproduktion erhöht wird. Dadurch führt die ultraschallunterstützte Bioethanolfermentation zu höheren Umsetzungsraten und gesteigerten Ausbeuten.

Fermentation

Fermentation kann ein aerober (= oxidative Fermentation) oder anaerober Prozess sein, der in biotechnologischen Anwendungen zur Umsetzung organischen Materials durch Bakterien-, Pilz- oder andere biologische Zellkulturen oder durch Enzyme eingesetzt wird. Bei der Fermentation wird Energie durch die Oxidation organischer Verbindungen, z. B. Kohlenhydrate, gewonnen.
Zucker ist das häufigste Substrat der Fermentation, bei der Produkte wie Milchsäure, Laktose, Ethanol und Wasserstoff entstehen. Bei der alkoholischen Gärung wird Ethanol durch Fermentation hergestellt – insbesondere zur Verwendung als Kraftstoff, aber auch für alkoholische Getränke. Wenn bestimmte Hefestämme wie Saccharomyces cerevisiae Zucker verstoffwechseln, wandeln die Hefezellen das Ausgangsmaterial in Ethanol und Kohlendioxid um.

Die folgenden chemischen Gleichungen fassen die Umsetzung zusammen:

Wenn das Ausgangsmaterial Stärke ist, z. B. aus Mais, muss diese zunächst in Zucker umgewandelt werden. Für Bioethanol, das als Kraftstoff verwendet wird, ist zur Umsetzung der Stärke eine Hydrolyse erforderlich. Üblicherweise wird die Hydrolyse durch eine Säurebehandlung, eine enzymatische Behandlung oder eine Kombination aus beiden beschleunigt. Normalerweise erfolgt die Fermentation bei etwa 35–40 °C.
Überblick über verschiedene Fermentationsprozesse:

Lebensmittel:

• Herstellung & Konservierung
• Milchprodukte (Milchsäuregärung), z. B. Joghurt, Buttermilch, Kefir
• milchsauer fermentiertes Gemüse, z. B. Kimchi, Miso, Natto, Tsukemono, Sauerkraut
• Bildung von Aromastoffen, z. B. Sojasauce
• Abbau von Gerbstoffen, z. B. Tee, Kakao, Kaffee, Tabak
• alkoholische Getränke, z. B. Bier, Wein, Whiskey

Arzneimittel:

• Herstellung medizinischer Wirkstoffe, z. B. Insulin, Hyaluronsäure

Biogas/Ethanol:

• Verbesserung der Biogas-/Bioethanolproduktion

Verschiedene Forschungsarbeiten und Versuche im Labortisch- und Pilotmaßstab haben gezeigt, dass Ultraschall den Fermentationsprozess verbessert, indem er mehr Biomasse für die enzymatische Fermentation verfügbar macht. Im folgenden Abschnitt werden die Wirkungen von Ultraschall in einer Flüssigkeit erläutert.

Wirkungen der Flüssigkeitsbehandlung mit Ultraschall

Mit leistungsstarkem, niederfrequentem Ultraschall lassen sich hohe Amplituden erzeugen. Dadurch kann leistungsstarker, niederfrequenter Ultraschall zur Verarbeitung von Flüssigkeiten eingesetzt werden, etwa zum Mischen, Emulgieren, Dispergieren, Deagglomerieren oder Mahlen.
Bei der Beschallung von Flüssigkeiten mit hoher Intensität erzeugen die sich im flüssigen Medium ausbreitenden Schallwellen abwechselnde Hochdruckphasen (Kompression) und Niederdruckphasen (Verdünnung), deren Wiederholungsrate von der Frequenz abhängt. Während der Niederdruckphase erzeugen hochintensive Ultraschallwellen kleine Vakuumblasen oder Hohlräume in der Flüssigkeit. Wenn die Blasen ein Volumen erreichen, bei dem sie keine weitere Energie aufnehmen können, kollabieren sie während einer Hochdruckphase heftig. Dieses Phänomen wird als Kavitation bezeichnet. Kavitation, das heißt „die Bildung, das Wachstum und der implosive Kollaps von Blasen in einer Flüssigkeit. Der Kavitationskollaps erzeugt eine intensive lokale Erwärmung (~5000 K), hohe Drücke (~1000 atm) und enorme Aufheiz- und Abkühlraten (mehr als 109 K/sec)“ sowie Flüssigkeitsstrahlen (~400 km/h). (Suslick 1998)

Kavitation lässt sich auf verschiedene Weise erzeugen, etwa durch Hochdruckdüsen, Rotor-Stator-Mischer oder Ultraschallprozessoren. In all diesen Systemen wird die eingebrachte Energie in Reibung, Turbulenzen, Wellen und Kavitation umgewandelt. Der Anteil der eingebrachten Energie, der in Kavitation umgewandelt wird, hängt von mehreren Faktoren ab, die die Bewegung der kavitationserzeugenden Vorrichtung in der Flüssigkeit beschreiben. Die Stärke der Beschleunigung ist einer der wichtigsten Faktoren für die effiziente Umwandlung von Energie in Kavitation. Eine höhere Beschleunigung erzeugt größere Druckunterschiede. Dadurch steigt wiederum die Wahrscheinlichkeit, dass Vakuumblasen entstehen, anstatt Wellen zu erzeugen, die sich durch die Flüssigkeit ausbreiten. Je höher die Beschleunigung, desto größer ist somit der Energieanteil, der in Kavitation umgewandelt wird.
Bei einem Ultraschallwandler beschreibt die Schwingungsamplitude die Stärke der Beschleunigung. Höhere Amplituden führen zu einer wirksameren Kavitationserzeugung. Neben der Stärke der Beschleunigung ist entscheidend, dass die Flüssigkeit so beschleunigt wird, dass die Verluste durch Turbulenzen, Reibung und Wellenerzeugung möglichst gering bleiben. Optimal ist hierfür eine Bewegung in einer einzigen Richtung. Durch Veränderung der Intensität und der Parameter des Beschallungsprozesses kann Ultraschall sehr stark oder sehr schonend wirken. Das macht Ultraschall zu einem äußerst vielseitigen Werkzeug für verschiedene Anwendungen.

Zu den schonenden Anwendungen mit milder Beschallung unter milden Bedingungen gehören Entgasung, Emulgierenund Enzymaktivierung. Intensive Anwendungen mit Ultraschall hoher Intensität bzw. hoher Leistung (meist unter erhöhtem Druck) sind Nassmahlen, Deagglomeration und Partikelzerkleinerung sowie Dispergieren. Bei vielen Anwendungen wie Extraktion, Desintegration oder Sonochemiehängt die erforderliche Ultraschallintensität vom jeweiligen zu beschallenden Material ab. Durch die Vielzahl der Parameter, die sich an den jeweiligen Prozess anpassen lassen, ermöglicht Ultraschall, für jeden einzelnen Prozess den optimalen Betriebspunkt zu finden.
Neben einer hervorragenden Leistungsumwandlung bietet die Ultraschallbehandlung den großen Vorteil, die wichtigsten Parameter vollständig kontrollieren zu können: Amplitude, Druck, Temperatur, Viskosität und Konzentration. Dadurch lassen sich all diese Parameter so einstellen, dass für jedes spezifische Material die idealen Verarbeitungsbedingungen gefunden werden. Das führt sowohl zu einer höheren Wirksamkeit als auch zu einer optimierten Effizienz.

Ultraschall zur Verbesserung von Fermentationsprozessen am Beispiel der Bioethanolproduktion

Bioethanol entsteht beim Abbau von Biomasse oder biologisch abbaubaren Abfallbestandteilen durch anaerobe oder aerobe Bakterien. Das produzierte Ethanol wird hauptsächlich als Biokraftstoff verwendet. Damit ist Bioethanol eine erneuerbare und umweltfreundliche Alternative zu fossilen Brennstoffen wie Erdgas.
Als Ausgangsstoffe für die Herstellung von Ethanol aus Biomasse können Zucker, Stärke und lignocellulosehaltiges Material dienen. In der industriellen Produktion überwiegen derzeit Zucker und Stärke, da sie wirtschaftlich vorteilhaft sind.
Wie Ultraschall einen kundenspezifischen Prozess mit einem bestimmten Ausgangsstoff unter gegebenen Bedingungen verbessert, lässt sich durch Machbarkeitsversuche sehr einfach ermitteln. In einem ersten Schritt zeigt die Beschallung einer kleinen Menge der Rohstoffsuspension mit einem Ultraschall-Laborgerät , ob Ultraschall eine Wirkung auf den Ausgangsstoff hat.

Machbarkeitsversuche

In der ersten Versuchsphase empfiehlt es sich, eine relativ große Menge Ultraschallenergie in ein kleines Flüssigkeitsvolumen einzubringen. Dadurch steigt die Wahrscheinlichkeit, festzustellen, ob überhaupt Ergebnisse erzielt werden können. Ein kleines Probenvolumen verkürzt außerdem die Einsatzdauer des Laborgeräts und senkt die Kosten der ersten Versuche.
Die Ultraschallwellen werden über die Oberfläche der Sonotrode in die Flüssigkeit übertragen. Unmittelbar unterhalb der Sonotrodenoberfläche ist die Ultraschallintensität am höchsten. Deshalb sind kurze Abstände zwischen Sonotrode und beschalltem Material zu bevorzugen. Bei der Beschallung eines kleinen Flüssigkeitsvolumens lässt sich der Abstand zur Sonotrode gering halten.
Die folgende Tabelle zeigt typische Werte für Energie pro Volumen bei Beschallungsprozessen nach der Optimierung. Da die ersten Versuche nicht mit der optimalen Konfiguration durchgeführt werden, zeigen eine Beschallungsintensität und eine Beschallungsdauer beim 10- bis 50-Fachen des typischen Werts, ob überhaupt eine Wirkung auf das beschallte Material auftritt.

Prozess	Energie/ Volumen	Probenvolumen	Leistung	Zeit
Einfach	< 100Ws/mL	10mL	50W	< 20 sec
Mittel	100Ws/mL bis 500Ws/mL	10mL	50W	20 bis 100 sec
Intensiv	> 500Ws/mL	10mL	50W	> 100 sec

Tabelle 1 – Typische Beschallungswerte nach der Prozessoptimierung

Der tatsächliche Leistungseintrag während der Versuchsläufe lässt sich über die integrierte Datenaufzeichnung (UP200Ht und UP200St), eine PC-Schnittstelle oder ein Leistungsmessgerät erfassen. Zusammen mit den aufgezeichneten Daten zur Amplitudeneinstellung und Temperatur lassen sich die Ergebnisse jedes Versuchs auswerten und ein Richtwert für die Energie pro Volumen ermitteln.
Wenn während der Versuche eine optimale Konfiguration gewählt wurde, kann deren Leistungsfähigkeit in einem Optimierungsschritt überprüft und anschließend auf den kommerziellen Maßstab übertragen werden. Um die Optimierung zu erleichtern, wird dringend empfohlen, auch die Grenzen der Beschallung für bestimmte Formulierungen zu untersuchen, z. B. hinsichtlich Temperatur, Amplitude oder Energie pro Volumen. Da Ultraschall negative Auswirkungen auf Zellen, Chemikalien oder Partikel haben kann, müssen die kritischen Werte jedes Parameters untersucht werden, um die anschließende Optimierung auf den Parameterbereich zu begrenzen, in dem keine negativen Auswirkungen auftreten. Für die Machbarkeitsstudie werden kleine Labor- oder Tischgeräte empfohlen, um die Kosten für Geräte und Proben bei solchen Versuchen zu begrenzen. Im Allgemeinen eignen sich Geräte mit 100 bis 1.000 Watt sehr gut für Machbarkeitsstudien. (vgl. Hielscher 2005)

Optimierung

Die Ergebnisse der Machbarkeitsstudien können bezogen auf das kleine behandelte Volumen einen recht hohen Energieverbrauch zeigen. Ziel des Machbarkeitsversuchs ist jedoch in erster Linie, die Wirkung von Ultraschall auf das Material nachzuweisen. Wenn bei den Machbarkeitsversuchen positive Effekte aufgetreten sind, sind weitere Schritte erforderlich, um das Verhältnis von Energie zu Volumen zu optimieren. Dazu wird die ideale Konfiguration der Ultraschallparameter ermittelt, um mit möglichst geringem Energieeinsatz die höchste Ausbeute zu erzielen und den Prozess wirtschaftlich möglichst sinnvoll und effizient zu gestalten. Um die optimale Parameterkonfiguration zu finden – also den gewünschten Nutzen bei minimalem Energieeintrag zu erzielen –, müssen die Zusammenhänge zwischen den wichtigsten Parametern Amplitude, Druck, Temperatur und Flüssigkeitszusammensetzung untersucht werden. In diesem zweiten Schritt empfiehlt sich der Wechsel von der chargenweisen Beschallung zu einer kontinuierlichen Beschallungsanlage mit Durchflusszellenreaktor, da sich der wichtige Parameter Druck bei der chargenweisen Beschallung nicht beeinflussen lässt. Während der Beschallung einer Charge ist der Druck auf den Umgebungsdruck begrenzt. Erfolgt die Beschallung in einer druckbeaufschlagbaren Durchflusskammer, kann der Druck erhöht oder gesenkt werden, was die durch Ultraschall erzeugte Kavitation im Allgemeinen stark beeinflusst. Mithilfe einer Durchflusszelle lässt sich der Zusammenhang zwischen Druck und Prozesseffizienz bestimmen. Ultraschallprozessoren mit einer Leistung zwischen 500 Watt und 2000 Watt eignen sich am besten zur Optimierung eines Prozesses.

Maßstabsvergrößerung zur kommerziellen Produktion

Sobald die optimale Konfiguration gefunden ist, ist die weitere Maßstabsvergrößerung einfach, denn Ultraschallprozesse lassen sich bei linearer Maßstabsvergrößerung vollständig reproduzieren. Das bedeutet: Wird Ultraschall auf eine identische Flüssigkeitsformulierung bei identischer Konfiguration der Prozessparameter angewendet, ist unabhängig vom Verarbeitungsmaßstab dieselbe Energie pro Volumen erforderlich, um ein identisches Ergebnis zu erzielen. (Hielscher 2005). Dadurch lässt sich die optimale Konfiguration der Ultraschallparameter auf den vollen Produktionsmaßstab übertragen. Das Volumen, das mit Ultraschall verarbeitet werden kann, ist praktisch unbegrenzt. Kommerzielle Ultraschallsysteme mit bis zu 16.000 Watt pro Gerät sind erhältlich und können im Cluster installiert werden. Solche Cluster von Ultraschallprozessoren lassen sich parallel oder in Reihe installieren. Durch die Cluster-Installation leistungsstarker Ultraschallprozessoren ist die Gesamtleistung nahezu unbegrenzt, sodass große Volumenströme problemlos verarbeitet werden können. Auch wenn eine Anpassung des Ultraschallsystems erforderlich ist, z. B. um die Parameter auf eine veränderte Flüssigkeitsformulierung abzustimmen, lässt sich dies meist durch den Austausch der Sonotrode, des Boosters oder der Durchflusszelle erreichen. Die lineare Skalierbarkeit, die Reproduzierbarkeit und die Anpassungsfähigkeit von Ultraschall machen diese innovative Technologie effizient und wirtschaftlich.

Parameter der Ultraschallbehandlung

Die Behandlung von Flüssigkeiten mit Ultraschall wird durch eine Reihe von Parametern beschrieben. Die wichtigsten sind Amplitude, Druck, Temperatur, Viskosität und Konzentration. Das Prozessergebnis, etwa die Partikelgröße, ist bei einer gegebenen Parameterkonfiguration eine Funktion der Energie pro verarbeitetem Volumen. Diese Funktion verändert sich bei Änderungen einzelner Parameter. Darüber hinaus hängt die tatsächlich abgegebene Leistung pro Flächeneinheit der Sonotrode eines Ultraschallgeräts von den Parametern ab. Die abgegebene Leistung pro Flächeneinheit der Sonotrode wird als Oberflächenintensität (I) bezeichnet. Die Oberflächenintensität hängt unter anderem von der Amplitude (A), dem Druck (p), dem Reaktorvolumen (VR), der Temperatur (T) und der Viskosität (η) ab.

Die Wirkung der erzeugten Kavitation hängt von der Oberflächenintensität ab. In gleicher Weise korreliert damit das Prozessergebnis. Die gesamte abgegebene Leistung eines Ultraschallgeräts ist das Produkt aus Oberflächenintensität (I) und Oberfläche (S):

P [W] I [W / mm²]* S[mm²]

Amplitude

Die Schwingungsamplitude beschreibt den Weg (z. B. 50 µm), den die Sonotrodenoberfläche in einer bestimmten Zeit (z. B. 1/20.000s bei 20kHz) zurücklegt. Je größer die Amplitude, desto schneller fällt und steigt der Druck bei jedem Hub. Zusätzlich nimmt die Volumenverdrängung pro Hub zu, wodurch ein größeres Kavitationsvolumen entsteht (Blasengröße und/oder Blasenanzahl). Bei der Behandlung von Dispersionen bewirken höhere Amplituden eine stärkere Zerkleinerung fester Partikel. Tabelle 1 zeigt allgemeine Werte für einige Ultraschallprozesse.

Druck

Der Siedepunkt einer Flüssigkeit hängt vom Druck ab. Je höher der Druck, desto höher liegt der Siedepunkt und umgekehrt. Ein erhöhter Druck ermöglicht Kavitation bei Temperaturen nahe oder oberhalb des Siedepunkts. Er erhöht außerdem die Intensität der Implosion, die mit der Differenz zwischen dem statischen Druck und dem Dampfdruck im Inneren der Blase zusammenhängt (vgl. Vercet et al. 1999). Da sich Ultraschallleistung und -intensität bei Druckänderungen rasch verändern, ist eine Pumpe mit konstantem Förderdruck vorzuziehen. Bei der Flüssigkeitszufuhr zu einer Durchflusszelle sollte die Pumpe den jeweiligen Volumenstrom bei geeigneten Drücken fördern können. Membranpumpen, flexible Schlauch- oder Quetschpumpen, Peristaltikpumpen sowie Kolben- oder Plungerpumpen erzeugen periodische Druckschwankungen. Bevorzugt werden Kreiselpumpen, Zahnradpumpen, Spiralpumpen und Exzenterschneckenpumpen, die die zu beschallende Flüssigkeit bei einem kontinuierlich stabilen Druck fördern. (Hielscher 2005)

Temperatur

Bei der Beschallung einer Flüssigkeit wird Leistung in das Medium übertragen. Da die durch Ultraschall erzeugten Schwingungen Turbulenzen und Reibung verursachen, erwärmt sich die beschallte Flüssigkeit entsprechend den Gesetzen der Thermodynamik. Erhöhte Temperaturen des behandelten Mediums können das Material schädigen und die Wirksamkeit der Ultraschallkavitation verringern. Innovative Ultraschall-Durchflusszellen sind mit einem Kühlmantel ausgestattet (siehe Abbildung). Dadurch lässt sich die Temperatur des Materials während der Ultraschallbehandlung genau kontrollieren. Für die Beschallung kleinerer Volumina im Becherglas empfiehlt sich ein Eisbad zur Wärmeabfuhr.

Viskosität und Konzentration

Ultraschallgestütztes Mahlen und Dispergieren sind Prozesse in Flüssigkeiten. Die Partikel müssen in einer Suspension vorliegen, z. B. in Wasser, Öl, Lösungsmitteln oder Harzen. Durch den Einsatz von Ultraschall-Durchflusssystemen lässt sich auch sehr viskoses, pastöses Material beschallen.
Leistungsstarke Ultraschallprozessoren können bei recht hohen Feststoffkonzentrationen betrieben werden. Eine hohe Konzentration unterstützt die Wirksamkeit der Ultraschallbehandlung, da der Mahleffekt durch Kollisionen zwischen den Partikeln entsteht. Untersuchungen haben gezeigt, dass die Zerkleinerungsrate von Siliciumdioxid bis zu einem Feststoffgehalt von 50 Gewichtsprozent unabhängig von der Feststoffkonzentration ist. Die Verarbeitung von Masterbatches mit einem hohen Anteil des zu verarbeitenden Materials ist ein übliches Produktionsverfahren mit Ultraschall.

Leistung und Intensität im Vergleich zur Energie

Oberflächenintensität und Gesamtleistung beschreiben lediglich die Intensität der Behandlung. Um einen Beschallungsprozess so zu beschreiben, dass er skalierbar und reproduzierbar ist, müssen das beschallte Probenvolumen und die Einwirkdauer bei einer bestimmten Intensität berücksichtigt werden. Bei einer gegebenen Parameterkonfiguration hängt das Prozessergebnis, z. B. die Partikelgröße oder die chemische Umsetzung, von der Energie pro Volumen (E/V) ab.

Ergebnis = f (E /V )

Dabei ist die Energie (E) das Produkt aus der abgegebenen Leistung (P) und der Einwirkdauer (t).

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

Änderungen der Parameterkonfiguration verändern die Ergebnisfunktion. Dadurch verändert sich wiederum die Energiemenge (E), die für ein gegebenes Probenvolumen (V) erforderlich ist, um einen bestimmten Ergebniswert zu erzielen. Deshalb reicht es nicht aus, einen Prozess mit einer bestimmten Ultraschallleistung zu betreiben, um ein Ergebnis zu erhalten. Ein differenzierterer Ansatz ist erforderlich, um die benötigte Leistung und die Parameterkonfiguration zu bestimmen, bei der diese Leistung in das Prozessmaterial eingebracht werden sollte. (Hielscher 2005)

Ultraschallunterstützte Herstellung von Bioethanol

Es ist bereits bekannt, dass Ultraschall die Bioethanolproduktion verbessert. Es empfiehlt sich, die Flüssigkeit mit Biomasse zu einer hochviskosen, noch pumpfähigen Suspension anzudicken. Ultraschallreaktoren können recht hohe Feststoffkonzentrationen verarbeiten, sodass der Beschallungsprozess möglichst effizient durchgeführt werden kann. Je mehr Material die Suspension enthält, desto weniger Trägerflüssigkeit, die von der Beschallung nicht profitiert, muss behandelt werden. Da der Energieeintrag in eine Flüssigkeit nach den Gesetzen der Thermodynamik zu deren Erwärmung führt, wird die Ultraschallenergie auf diese Weise möglichst weitgehend auf das Zielmaterial übertragen. Durch eine solche effiziente Prozessgestaltung wird die unnötige Erwärmung überschüssiger Trägerflüssigkeit vermieden.
Ultraschall unterstützt die Extraktion des intrazellulären Materials und macht es dadurch für die enzymatische Fermentation verfügbar. Eine milde Ultraschallbehandlung kann die Enzymaktivität steigern, für die Extraktion aus Biomasse ist jedoch intensiverer Ultraschall erforderlich. Daher sollten die Enzyme erst nach der Beschallung zur Biomassesuspension gegeben werden, da intensiver Ultraschall Enzyme inaktiviert, was ein unerwünschter Effekt ist.

Aktuelle Ergebnisse aus der wissenschaftlichen Forschung:

Die Untersuchungen von Yoswathana et al. (2010) zur Bioethanolproduktion aus Reisstroh haben gezeigt, dass die Kombination aus Säurevorbehandlung und Ultraschall vor der enzymatischen Behandlung zu einer erhöhten Zuckerausbeute von bis zu 44% (bezogen auf Reisstroh) führt. Dies zeigt die Wirksamkeit einer Kombination aus physikalischer und chemischer Vorbehandlung vor der enzymatischen Hydrolyse von lignocellulosehaltigem Material zu Zucker. 

Diagramm 2 veranschaulicht die positiven Auswirkungen der Ultraschallbestrahlung während der Bioethanolproduktion aus Reisstroh. (Holzkohle wurde zur Entgiftung der Proben nach der Säure-/Enzymvorbehandlung und der Ultraschallvorbehandlung eingesetzt.)

In einer weiteren aktuellen Studie wurde der Einfluss der Ultraschallbehandlung auf die extrazellulären und intrazellulären Mengen des Enzyms β-Galactosidase untersucht. Sulaiman et al. (2011) konnten die Produktivität der Bioethanolherstellung deutlich verbessern, indem sie Ultraschall bei kontrollierter Temperatur einsetzten und so das Wachstum der Hefe Kluyveromyces marxianus (ATCC 46537) anregten. Die Autoren der Studie fassen zusammen: Eine intermittierende Beschallung mit Leistungsultraschall (20 kHz) bei relativen Einschaltdauern von ≤20% stimulierte die Biomasseproduktion, den Laktosestoffwechsel und die Ethanolproduktion bei K. marxianus bei einer relativ hohen Beschallungsintensität von 11,8Wcm². Unter den besten Bedingungen erhöhte die Beschallung die endgültige Ethanolkonzentration im Vergleich zur Kontrolle auf nahezu das 3,5-Fache. Dies entsprach einer Steigerung der Ethanolproduktivität auf das 3,5-Fache, erforderte jedoch durch die Beschallung einen zusätzlichen Leistungseintrag von 952W pro Kubikmeter Fermentationsbrühe. Dieser zusätzliche Energiebedarf lag durchaus innerhalb akzeptabler Betriebswerte für Bioreaktoren und konnte bei hochwertigen Produkten durch die gesteigerte Produktivität leicht ausgeglichen werden.

Fazit: Vorteile der ultraschallunterstützten Fermentation

Die Ultraschallbehandlung hat sich als effiziente und innovative Technik zur Steigerung der Bioethanolausbeute erwiesen. Ultraschall wird hauptsächlich eingesetzt, um intrazelluläres Material aus Biomasse wie Mais, Sojabohnen, Stroh, lignocellulosehaltigem Material oder pflanzlichen Abfällen zu extrahieren.

• Steigerung der Bioethanolausbeute
• Desintegration/Zellaufschluss und Freisetzung intrazellulären Materials
• Verbesserter anaerober Abbau
• Aktivierung von Enzymen durch milde Beschallung
• Verbesserung der Prozesseffizienz durch hochkonzentrierte Suspensionen

Die einfache Erprobung, die reproduzierbare Maßstabsvergrößerung und die einfache Installation, auch in bereits bestehende Produktionslinien, machen Ultraschall zu einer rentablen und effizienten Technologie. Zuverlässige industrielle Ultraschallprozessoren für die kommerzielle Verarbeitung sind erhältlich und ermöglichen die Beschallung praktisch unbegrenzter Flüssigkeitsvolumina.