Hielscher – Ultraschall-Technologie

Ultraschall-gestützte Fermentation in der Bioethanol-Produktion

Fermentation

Die Fermentation ist ein aerober (= oxidative Fermentation) oder anaerober Prozess, der in biotechnologischen Anwendungen genutzt wird, um organisches Material mit Hilfe von Bakterien, Pilzen und anderen biologischen Zellkulturen oder Enzymen umzuwandeln. Bei der Fermentierung wird somit durch eine oxidative Reaktion Energie aus organischen Verbindungen, z.B. aus Kohlenhydraten, extrahiert.

Zucker ist das am häufigsten verwendete Substrat der Fermentation, welches durch die Vergärung in Produkte wie Milchsäure, Milchzucker, Ethanol und Wasserstoff umgewandelt wird. Bei der alkoholischen Fermentation wird Ethanol – vor allem für den Einsatz als Brennstoff, aber auch für alkoholische Getränke – durch Vergärung hergestellt. Wenn bestimmte Hefestämme, wie z.B. Saccharomyces cerevisiae Zucker verstoffwechseln, wandeln diese Hefezellen das Ausgangsmaterial in Ethanol und Kohlendioxid um.

Die unten stehenden chemischen Gleichungen erläutern die Umwandlung:

In der gängigen Bioethanolproduktion wird Zucker durch Fermentation in Milchsäure, Laktose, Ethanol und Wasserstoff umgewandelt.

Die chemischen Gleichungen zeigen die Fermentierung von Bioethanol.

Wenn als Ausgangsmaterial für die Fermentation Stärke, z.B. Maisstärke, genutzt wird, muss die Stärke zuerst in Zucker umgewandelt werden. Bei der Produktion von Bioethanol , das als Kraftstoff verwendet werden soll, ist eine Hydrolyse für die Stärkekonversion notwendig. Die Hydrolyse wird in der Regel durch ein saures oder enzymatisches Verfahren oder eine Kombination beider Verfahren beschleunigt. Normalerweise läuft die Fermentation bei 35–40 °C ab.
Übersicht über verschiedene Fermentationsprozesse:

Lebensmittel:

  • Produktion & Konservierung
  • Milchprodukte (Milchsäuregärung), z. B. Joghurt, Buttermilch, Kefir
  • Milchsauer fermentiertes Gemüse, z.B. Kimchi, Miso, Natto, Tsukemono, Sauerkraut
  • Entwicklung von Aromastoffen, z.B. Soja-Sauce
  • Zersetzung von Gerbstoffen, z. B. Tee, Kakao, Kaffee, Tabak
  • Alkoholische Getränke, z.B. Bier, Wein, Whisky

Medikamente:

  • Herstellung von medizinischen/ pharmazeutischen Stoffen, z.B. Insulin, Hyaluronsäure

Biogas / Ethanol:

  • Verbesserte Biogas/ Bioethanol-Produktion

Verschiedene Studien und Tests im Bench-Top und in Pilotanlagen haben gezeigt, dass Ultraschall die Fermentierung verbessert, indem mehr Biomasse für die enzymatische Vergärung verfügbar gemacht wird. Um das Ultraschallverfahren zu erläutern, werden im folgenden Abschnitt die Effekte, die aus dem Eintrag von Hochleistungs-Ultraschall in eine Flüssigkeit resultieren, eingehend dargestellt.

Ultraschallreaktoren erhöhen die Biodieselausbeute und die Verarbeitungseffizienz!

Bioethanol kann aus Sonnenblumenstielen, Mais, Zuckerrohr usw. hergestellt werden.

Hochleistungs-Ultraschall in Flüssigkeiten

Mit Hochleistungs-/ Niederfrequenz-Ultraschall können sehr hohe Amplituden erzeugt werden. Hochleistungs-/ Niederfrequenz-Ultraschall eignet sich daher für verschiedene Flüssigkeitsanwendungen wie das Mischen, Emulgieren, Dispergieren & Deagglomeration und Nass-Mahlen.
Wenn Flüssigkeiten bei hohen Intensitäten beschallt werden, breiten sich die Schallwellen im flüssigen Medium aus und erzeugen dabei abwechselnd Hochdruck- (Kompression) und Niederdruck- (Rarefaktion) Zyklen. Die Geschwindigkeit, mit der die Zyklen zwischen Kompression und Rarefaktion wechseln, hängt von der Ultraschallfrequenz ab. Während der Niederdruck-Zyklen werden durch die hoch intensiven Ultraschallwellen kleine Vakuumblasen bzw. Hohlräume in der Flüssigkeit erzeugt. Sobald diese Blasen eine bestimmte Größe erreichen, an dem sie nicht mehr Energie absorbieren können, platzen sie während eines Hochdruck-Zykluses und setzen dabei hohe Energien frei. Dieses Phänomen wird als Kavitation bezeichnet. Kavitation, das ist „die Formation, das Wachstum und die Implosion der Blasen in einer Flüssigkeit. Die Kavitations-Implosion resultiert in intensiven lokalen Temperaturanstiegen (~5000 K), hohen Drücken (~1000 atm) und enormen Erhitzungs- und Abkühlungsraten (>109 K/sec)“ und Flüssigkeitsstrahlen (~400 km/h)". (Suslick 1998)

Chemische Struktur von Ethanol

Strukturformel von Ethanol

Es gibt verschiedene Mittel, um Kavitation zu erzeugen, z. B. durch Hochdruck-Düsen, Rotor-Stator-Mischer oder Ultraschallprozessoren. Bei allen diesen Systemen wird die eingetragene Energie in Reibung, Turbulenzen, Wellen und Kavitation umgewandelt. Die Effizienz der Kavitationserzeugung variiert stark je nach Methode/ Equipment: Wie hoch der Anteil ist, der von der Eingangsenergie letztendlich in Kavitation umgewandelt wird, ist von mehreren Faktoren abhängig, welche die Auslenkung der kavitationserzeugenden Geräte in der Flüssigkeit bestimmen. Die Beschleunigungsintensität ist einer der wichtigsten Einflussfaktoren für die effiziente Umwandlung von Energie in Kavitation. Höhere Beschleunigung erzeugt höhere Druckdifferenzen. Dies erhöht wiederum die Wahrscheinlichkeit der Formation von Vakuumblasen anstatt der bloßen Wellenerzeugung. Daher gilt: je höher die Beschleunigung, desto höher ist der Anteil der Energie, die in Kavitation umgewandelt wird.
Bei einem Ultraschallwandler beschreibt die Amplitude der Schwingung die Intensität der Beschleunigung. Höhere Amplituden führen zu einer effizienteren Kavitationserzeugung. Neben der Intensität sollte die Flüssigkeit so beschleunigt werden, dass möglichst geringe Verlusten durch Turbulenzen, Reibung und Wellenerzeugung entstehen. Optimal kann dies durch eine unilaterale Bewegungsrichtung erreicht werden. Durch Verändern der Intensität und der Parameter des Ultraschallprozesses, können sehr harte oder sehr weiche Effekte erzeugt werden. Daher ist Ultraschall ein äußerst vielseitige Prozessmethode, die sich für zahlreiche unterschiedliche Anwendungen eignet.
Compact and powerful ultrasonic lab devices allow for simple testings in small scale to evaluate process feasibility

Bild 1 – Ultraschall-Laborgerät UP100H (100 Watt) für Machbarkeitsstudien

Zu den weichen Anwendungen, bei denen geringe Ultraschallenergie unter milden Bedingungen angewendet wird, gehören Entgasen, Emulgierenund das Aktivieren von Enzymen. Zu den harten Anwendungen mit hochintensivem Ultraschalleintrag (meist unter erhöhtem Druck) zählen das Nass-Mahlen, Desagglomeration & die Partikelgrößenreduktion und Dispergieren. Für zahlreiche Anwendungen wie z.B. Extraktion, Desintegration oder Sonochemiehängt die benötigte Ultraschallintensität vom spezifischen Material, welches beschallt werden soll, ab. Durch die verschiedenen Ultraschall-Prozessparameter, welche an das jeweilige Material und Prozessziel angepasst werden können, ist es möglich, für jeden einzelnen Prozess den idealen "sweet spot" zu finden.
Neben der außerordentlich effizienten Leistungsumwandlung bietet Ultraschall zudem die volle Kontrolle über die wichtigsten Prozessparameter: Amplitude, Druck, Temperatur, Viskosität und Konzentration. Durch ein gezielte Anpassung der einzelnen Parameter wird es möglich, die ideale spezifische Prozesskonfiguration für jedes Material zu finden. Dies resultiert in höherer Effektivität und optimierter Effizienz.

Durch Ultraschall verbesserte Fermentation

Bioethanol ist ein Produkt der Zersetzung der Biomasse oder biologisch abbaubarer Materier von Abfällen durch anaerobe oder aerobe Bakterien. Das hergestellte Ethanol wird hauptsächlich als Biokraftstoff eingesetzt. Dadurch ist Bioethanol eine erneuerbare und umweltfreundliche Alternative für fossile Brennstoffe, wie Erdgas.
Für die Erzeugung von Ethanol aus Biomasse können Zucker, Stärke und lignozellulosehaltiges Material als Ausgangsstoffe verwendet werden. Für die industrielle Ethanolgewinnung sind Zucker und Stärke derzeit die meist genutzten Rohstoffe, da sie wirtschaftlich günstig sind.
In welchem Ausmaß Ultraschall einen individuellen Prozess - mit einem spezifischen Rohstoff unter bestimmten Prozessbedingungen - verbessert, kann mittels einfacher Machbarkeitstests erprobt werden. Das Beschallen einer kleinen Probe der Rohstoff-Slurry mit einem Ultraschall Laborgerät ist meist schon ein guter Indikator, ob und wie Ultraschall das Ausgangsmaterial beeinflusst.

Machbarkeitsstudien

In der ersten Testphase ist es sinnvoll, eine relativ viel Ultraschallenergie in ein kleines Probenvolumen einzutragen, da sich dadurch die Wahrscheinlichkeit erhöht, klar feststellen zu können, ob mittels Beschallung irgendwelche Ergebnisse erzielt werden können. Ein kleines Probenvolumen verkürzt zudem die Beschallungs- und Testdauer und senkt die Kosten für die ersten Tests.
Die Ultraschallwellen werden über die Sonotroden-Stirnfläche in die Flüssigkeit eingetragen. Die Ultraschallintensität ist daher direkt unter der Sonotrode-Stirnfläche am intensivsten (Kavitations-Hotspot). Deshalb ist ein kurzer Abstand zwischen Sonotrode und dem zu beschallenden Material vorteilhaft. Bei Laborversuchen und Machbarkeitstest im Becherglas wird normalerweise ein kleines Probenvolumen beschallt, wodurch sich ein kurzer Abstand zwischen der Sonotrode und dem zu beschallenden Material einfach realisieren lässt.
Die folgende Tabelle zeigt typische Energie/Volumen-Levels für Ultraschallprozesse nach einer Optimierung. Da die ersten Machbarkeitsversuche nicht mit einer optimale Konfiguration ausgeführt werden, werden diese mit Beschallungs-Intensitäten und -Zeiten durchgeführt, die 10 bis 50-fach über den typischen Werten liegen. Alleiniges Ziel dieser ersten Versuche ist es, herauszufinden, ob sich das Probenmaterial mittels Ultraschall beeinflussen lässt.

Extraktionsprozess

Energie/

Volumen

Probenmenge

Leistung

Zeit

Einfach

< 100Ws/ml

10ml

50W

< 20 Sek.

Mittel

100Ws/ml bis 500Ws/ml

10ml

50W

20 bis 100 Sek.

Hart

> 500Ws/ml

10ml

50W

>100 Sek.

Tabelle 1 – Typische Beschallungswerte nach einer Prozessoptimierung

Der tatsächliche Leistungseingang der Versuche kann über eine integrierte Datenerfassung (UP200Ht und UP200St), via PC-Schnittstelle oder per Powermeter erfasst werden. Anhand der aufgezeichneten Daten (Amplitudeneinstellung, Beschallungsdauer, Temperatur etc.) können die Ergebnisse der einzelnen Studien ausgewertet werden so dass ein Ausgangswert bezüglich Energie/Volumen ermittelt werden kann.
Wenn während des Tests eine optimale Konfiguration gefunden wurde, kann diese Konfigurationsleistung in einem Optimierungsschritt verifiziert und anschließend linear auf kommerzielles Produktionslevel hochskaliert werden. Um die Optimierung zu erleichtern, ist es empfehlenswert, auch die Grenzwerte der Beschallung - z.B. Temperatur, Amplitude oder Energie/Volumen - für die jeweilige Formulierung zu untersuchen. Da Ultraschall auch negative Auswirkungen auf Zellen, Chemikalien oder Partikel zeigen könnte, müssen die kritischen Werte für jeden Parameter untersucht werden, um die nachfolgenden Optimierungsschritte auf den Parameterbereich zu begrenzen, in dem die negativen Auswirkungen nicht auftreten. Für die Machbarkeitsstudie eigenen sich insbesondere kleinere Ultraschall-Laborgeräte oder Benchtop-Einheiten, wodurch die Kosten für Ausrüstung und Probenmaterial in einer solchen Studie gering zu halten. Ultraschallgeräte mit 100 bis 1000 Watt Ultraschallleistung haben sich für Machbarkeitsstudien sehr gut bewährt. (vgl. Hielscher 2005)

Ultrasonic processes are easy to optimize and to scale up. This turns ultrasonication into an highly potential processing alternative to high pressure homogenizers, pearl and bead mills or three-roll mills.

Tabelle 1 – Typische Beschallungswerte nach einer Prozessoptimierung

Optimierung

Die Ergebnisse, die im Rahmen der Machbarkeitsstudien erzielt werden, können einen relativ hohen Energieeintrag in relativ kleine Probenmengen aufweisen. Der Zweck der Machbarkeitstudie ist jedoch in erster Linie die Auswirkungen des Ultraschalls auf das Material zu erforschen. Wenn in der Machbarkeitsstudie positive Effekte beobachtet werden konnten, ist es in einem zweiten Schritt sinnvoll, die den Energieeintrag (Energie/Volumen-Verhältnis) zu optimieren. Ziel der Optimierung ist es, die ideale Konfiguration der Ultraschall-Parameter zu ermitteln. Die optimale Konfiguration ist diese, bei welcher der höchsten Ertrag mit dem geringsten möglichen Energieeintrag erzielt wird, so dass das Prozessziel sowohl effektiv als auch effizient erreicht wird. Um die optimalen Parameterkonfiguration zu finden – das beste Prozessergebnis mit minimalem Energieaufwand – wird die Korrelation zwischen den wichtigsten Parametern Amplitude, Druck, Temperatur und Flüssigkeit untersucht. Da der Parameter "Druck" großen Einfluss auf den Ultraschallprozess hat und der Druck während der Beschallung in offenen Gefäßen nicht beeinflusst werden kann, ist für die Prozessoptimierung ein Benchtop-System mit Durchflusszelle äußerst hilfreich. Bei der Beschallung im Batch beschränkt sich der Druck auf der Umgebungsdruck. Wenn der Ultraschall-Prozess allerdings in einer druckfesten Durchflusszelle ausgeführt wird, kann der Ultraschallprozess unter erhöhtem (oder reduzierten) Druck ablaufen. Veränderte Druckparameter resultieren in deutlich veränderter Ultraschall Kavitation und sollten daher nicht vernachlässigt werden. Mittels einer Durchflusszelle lässt sich die Korrelation zwischen Druck und Prozesseffizienz ermittelt werden. Ultraschallprozessoren zwischen 500 Watt und 2000 Watt sind ideal dazu geeignet, um einen Prozess zu optimieren.

Fully controllable ultrasonic equipment allows for process optimization and completely linear scale-up

Bild 2: Flussdiagramm für die Optimierung eines Ultraschall-Prozesses

Scale-Up bis zur kommerziellen Produktion

Wenn die optimale Konfiguration gefunden wurde, ist das anschließende Scale-up äußerst einfach, da Ultraschallprozesse vollständig reproduzierbar und linear skalierbar sind.Das bedeutet, dass, wenn Ultraschall auf eine identische Formulierung unter identischer Parameterkonfiguration eingetragen wird, unabhängig vom Gesamtprozessvolumen die gleiche Energie pro Volumeneinheit benötigt wird, um ein identisches Ergebnis zu erhalten. (Hielscher 2005) Dadurch ist es möglich, die optimale Parameterkonfiguration des Ultraschallprozesses auf jegliches Produktionsvolumen zu skalieren. Das bedeutet für die Praxis, dass ein ultraschall-gestützter Prozess auf jegliches Volumen hochskaliert werden kann - ohne dass Energieeffizienz und Produktqualität verändert werden. Kommerzielle Ultraschall-Systeme mit bis zu 16000 Watt pro Einheit sind als Standardsysteme verfügbar und können im Cluster installiert werden. Solche Cluster aus mehreren Ultraschallprozessoren können parallel oder in Reihe installiert werden. Durch die Cluster-Installation von Hochleistngs-Ultraschallprozessoren ist die Gesamtleistung nahezu unbegrenzt, so dass hochvolumige Produktionsströme problemlos verarbeitet werden können. Notwendige Anpassungen der Ultraschallsysteme wie z. B. das Abstimmen der Parameter aus veränderte Formulierungen, können durch den Austausch von Sonotrode, Booster oder Durchflusszelle vorgenommen werden. Die lineare Skalierbarkeit, die Reproduzierbarkeit und die Anpassungsfähigkeit machen Ultraschall zu einer effizienten und kostengünstigen Technologie.

16kW ultrasonic machine for industrial processing of large volume streams, e.g. biodiesel, bioethanol, nano particle processing and manifold other applications.

Bild 3 – Industrieller Ultraschallprozessor UIP16000 mit 16.000 Watt Leistung

Parameter eines Ultraschall-Prozesses

Das Beschallen von Flüssigkeiten wird durch eine Anzahl von Parametern beschrieben. Die wichtigsten Parameter sind Amplitude, Druck, Temperatur, Viskosität und Konzentration. Das Prozess-Ergebnis, z.B. die Partikelgröße, für eine bestimmte Parameter-Konfiguration ist eine Funktion der Energie pro beschalltem Volumen. Die Funktion ändert sich mit Veränderung der einzelnen Parameter. Darüber hinaus hängt die tatsächliche Leistungsabgabe pro Flächeneinheit der Sonotrode von diesen Parametern ab. Die Leistung pro Sonotrodenflächeneinheit ist die Oberflächenintensität (I). Die Oberflächenintensität wird von Amplitude (A), Druck (p), die Reaktor-Volumen (VR), Temperatur (T), Viskosität (η) und anderen Faktoren bestimmt.

Die wichtigsten Parameter der Ultraschallverarbeitung sind Amplitude (A), Druck (p), Reaktorvolumen (VR), Temperatur (T) und Viskosität (η).

Die Ultraschallkavitation hängt von der Oberflächenintensität ab, welche von Amplitude (A), Druck (p), Reaktor-Volumen (VR), Temperatur (T), Viskosität (η) und anderen abhängig ist. Die Plus- und Minuszeichen zeigen jeweils den positiven bzw. negativen Einfluss des spezifischen Parameters auf die Ultraschallintensität.

Die Stärke der generierten Kavitation hängt von der Oberflächenintensität ab. Auf gleiche Weise korreliert das Prozessergebnisses. Die Gesamtleistung eines Ultraschallsystems ist das Produkt der Oberflächenintensität (I) und Fläche (S):

P [W] I [W / mm²]* s[mm²]

Amplitude

Die Amplitude der Oszillation gibt an, welche Auslenkung (z.B. 50 µm) die Sonotrodenoberfläche in einer bestimmten Zeit (z.B. pro 1/20.000 Sek. bei 20kHz) aufweist. Je größer die Amplitude, desto höher ist erzeugte Druckdifferenz. Darüber hinaus vergrößert sichbei höherer Amplitude die Volumenverdrängung, wodurch die Kavitation (größere und/oder mehr Kavitationsblasen) intensiviert wird. So lässt sich beispielsweise bei der Ultraschall-Dispergierung durch höhere Amplituden eine bessere Partikelnreduktion erzielen. Tabelle 1 zeigt allgemeine Werte für einige Ultraschall-Prozesse.

The ultrasound amplitude is an important process parameter.

Tabelle 2 – Allgemeine Empfehlungen für Amplituden

Druck

Der Siedepunkt einer Flüssigkeit hängt vom Umgebungsdruck ab. Wird der Druck auf eine Flüssigkeit erhöht, erhöht sich höher gleichzeitig auch ihr Siedepunkt. Bei Ultraschallprozessen ermöglichen erhöhte Drücke, dass Kavitation auch bei Temperaturen nahe oder über dem Siedepunkt erzeugt werden kann. Zudem wird die Implosion der Kavitationsblasen durch den Druckunterschied, der sich aus der Differenz zwischen statischem Druck und dem Dampfdruck innerhalb der Blase ergibt, intensiviert. (vgl. Vercet et al. 1999) Da die Ultraschallintensität durch Veränderung des Drucks sofort beeinflusst wird, sollte für Ultraschallprozesse möglichst eine Pumpe ohne Druckschwankungen (z.B. Progressive Cavity Pump, Exzenterschneckenpumpe) verwendet werden. Für die Beschallung im Durchfluss, sollte eine Pumpe ausgewählt werden, welche die zu beschallende Flüssigkeit bei geeigneten Drücken fördern kann. Membran-, Schlauch-, Quetsch-, Schlauchrad- sowie Kolbenpumpen verursachen alternierende Druckschwankungen und sind daher weitgehend ungeeignet für die Integration in Hochleistungs-Ultraschallsysteme. Kreiselpumpen, Zahnradpumpen, Schneckenpumpen sowie Exzenterschneckenpumpen (progressive cavity pumps) fördern den zu beschallenden Flüssigkeitsstrom mit kontinuierlich stabilem Druck und eignen sich daher für Ultraschallprozesse sehr gut. (Hielscher 2005)

Temperatur

Beim Beschallen einer Flüssigkeit wird Energie in das Medium übertragen. Die ultraschall-erzeugten Schwingungen generieren in der beschallten Flüssigkeit Turbulenzen, Reibung und letztendlich – gemäß dem Gesetz der Thermodynamik - Wärme. – Temperaturanstiege des Mediums sind bei temperaturempfindlichem Material schädlich und verringern zudem die Kavitationsintensität. Daher bietet Hielscher innovative Ultraschall-Durchflusszellen, die mit einem Kühlmantel ausgestattet sind (siehe Bild 3). Dadurch wird eine genaue Kontrolle der Materialtemperatur während des Beschallungsprozesses gewährleistet. Für die Beschallung kleinerer Volumina empfiehlt sich ein Eisbad zur Wärmeableitung.

Picture 3 – Ultrasonic transducer UIP1000hd (1000 watts) with flow cell equipped with cooling jacket – typical equipment for optimization steps or small scale production

Bild 3 – Ultraschallwandler UIP1000hd (1000 Watt) mit Durchflusszelle (mit Kühlmantel)

Viskosität und Konzentration

Das ultraschall-gestützte Mahlen und Dispergieren sind Flüssigkeitsprozesse. D.h., dass die Partikel in einer Suspension, z.B. in Wasser, Öl, Lösungsmittel oder Harz, vorliegen. Durch den Einsatz von Ultraschall-Durchflusssystemen wird es möglich, auch sehr zähflüssiges, pastöses Material effektiv zu beschallen.
Hochleistungs-Ultraschallprozessoren können problemlos Flüssigkeitsströme mit hoher Feststoffkonzentrationen verarbeiten. Eine hohe Feststoffkonzentration verbessert zudem die Effektivität des Ultraschallprozesses, da der Effekt des Ultraschall-Mahlens und -Dispergierens zum großen Teil durch interpartikuläre Kollision erreicht wird. Forschungsergebnisse zeigen, dass die Partikelreduktionsrate von Silica von Feststoffkonzentrationen bis zu 50% (Gewichtsprozent) unabhängig ist. Die Beschallung von hochkonzentierten Masterbatches ist eine gängige Produktionsmethode für ultraschall-gestützte Verfahren.

Leistung & Intensität vs. Energie

Oberflächenintensität und Gesamtleistung geben nur die Prozessintensität an. Das beschallte Volumen und die Beschallungsdauer bei einer bestimmten Intensität müssen ebenfalls berücksichtigt werden, um einen spezifischen Ultraschall-Prozess skalierbar und reproduzierbar zu machen. Für eine gegebene Parameterkonfiguration hängt das Prozessergebnis, z.B. Partikelgröße oder chemische Reaktion, von der Energie pro Volumen (E/V) ab.

Ergebnis = f (E /V )

Dabei ist die Energie (E) das Produkt aus Leistung (P) und Beschallungszeit (t).

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

Wird die Parameterkonfiguration geändert, so ändert sich auch die Ergebnis-Funktion. Dies beeinflusst wiederum die Menge an Energie (E), die für einen bestimmten Probenwert (V) benötigt wird, um ein bestimmtes Ergebnis zu erzielen. Aus diesem Grund ist es nicht genug, um eine gewisse Menge an Ultraschallenergie in einen Prozess einzutragen, um ein Ergebnis zu erhalten. Um die benötigte Energie und die Parameterkonfiguration, welche die Konditionen festlegt, unter denen das Material dem Ultraschall ausgesetzt wird, zu ermitteln, ist ein differenzierter Ansatz erforderlich. (Hielscher 2005)

Ultraschall-gestützte Produktion von Bioethanol

Es ist bekannt, dass Ultraschall die Bioethanol-Produktion positiv beeinflusst. Für einen effektive Produktion ist es empfehlenswert, die Biomasse zu einer hochviskosen, noch pumpfähigen Slurry zu verdicken. Ultraschall-Reaktoren können relativ hohe Feststoffkonzentrationen behandeln, sodass die Beschallung möglichst effizient ausgeführt werden kann. Je mehr Material in der konzentrierten Slurry vorliegt, desto weniger Trägerflüssigkeit muss beschallt werden. Da die Trägerflüssigkeit von einer Beschallung nicht profitiert, ist das Beschallen derselben aus Kostengründen möglichst gering zu halten. Durch hohe Feststoffkonzentrationen und das Beschallen von Master Batches lässt sich eine hohe Prozesseffizienz erzielen.
Ultraschall unterstützt die Extraktion von intrazellulärem Material und macht es dadurch für die enzymatische Fermentierung verfügbar. Während eine milde Beschallung die enzymatische Aktivität verbessert, ist für die Extraktion von Biomasse ist jedoch intensiver Ultraschall erforderlich. Daher sollten die Enzyme erst nach der Ultraschallextraktion der Biomasse-Slurry hinzugefügt werden, da intensiver Ultraschalleintrag die Enzyme inaktiviert.

Aktuelle Ergebnisse aus der wissenschaftlichen Forschung:

Die Studien von Yoswathana et al. (2010) zur Bioethanolproduktion aus Reisstroh haben gezeigt, dass die Kombination aus Säure-Vorbehandlung und Ultraschall vor der enzymatischen Fermentation eine bis zu 44% höheren Zuckerausbeute (basierend auf Reisstroh) bewirkt. Dies zeigt die Wirksamkeit der Kombination aus physikalischer und chemischer Vorbehandlung vor der enzymatischen Hydrolyse von lignozellhaltigem Ausgangsstoff zu Zucker.

Tabelle 2 stellt die positiven Auswirkungen von Ultraschall während der Bioethanolproduktion aus Reisstroh grafisch dar. (Holzkohle wurde verwendet, um die vorbehandelten Proben Rückständen der Säure/ Enzym-Vorbehandlung und Ultraschall-Vorbehandlung zu befreien.)

Die ultraschallunterstützte Fermentation führt zu einer deutlich höheren Ethanolausbeute. Das Bioethanol wurde aus Reisstroh hergestellt.

Diagramm 2 – Mittels Ultraschall verbesserte Ethanolausbeute während der Fermentation (Yoswathana et al. 2010)

In einer anderen Studie wurde der Einfluss der ultraschall-gestützte Dispergierung des Enzyms β-Galactosidase auf extrazellulärer und intrazellulärer Ebene untersucht. Sulaiman et al. (2011) konnte die Ausbeute der Bioethanol-Produktion erheblich verbessern, indem die Forscher das Wachstum der Hefe Kluyveromyces marxianus (ATCC 46537) mittels Ultraschall bei kontrollierter Temperatur stimulierten. Die Autoren des wissenschaftlichen Artikels berichten, dass eine intermittierende Beschallung mit Hochleistungs-Ultraschall (20 kHz) in Beschallungszyklen von ≤20 % und einer relativ hohen Ultraschallintensität von 11,8W/cm-2 die Hefe K. Marxianus zu verbesserter Biomasseproduktion, Laktose-Metabolismus und Ethanolproduktion stimuliert.-2Unter optimierten Bedingungen konnte die endgültige Ethanol-Konzentration um fast den 3,5-fachen Wert (im Vergleich zur Kontrollprobe) verbessert werden. Dies entspricht einer 3,5-fachen Erweiterung der Ethanol-Produktivität und benötigt 952W Ultraschallenergieeintrag pro Kubikmeter zu beschallendem Material. Die benötigte Energie ist ökonomisch akzeptabel und lässt sich leicht durch die erhöhte Ethanolproduktion kompensieren.

Vorteile der ultraschall-gestützten Fermentation

Das Ultraschallverfahren hat sich als effiziente und innovative Technik gezeigt, um den Bioethanolertrag zu steigern. Ultraschall wird in erster Linie eingesetzt, um intrazelluläres Material aus Biomasse wie Mais, Sojabohnen, Stroh, Ligno-Zellulose-Material oder pflanzliche Abfallstoffe zu extrahieren. Zu den weiteren Vorteilen der Beschallung gehören:

  • Verbesserte Bioethanol-Ausbeute
  • Desintegration/ Zellaufschluss und Extraktion von intrazellulärem Material
  • Verbesserter anaeroben Abbau
  • Aktivierung von Enzymen durch milde Ultraschallbehandlung
  • Verbesserte Prozesseffizienz durch hochkonzentrierte Slurries

Einfache Erprobung, reproduzierbares Scale-Up und problemlose Installation (auch in bereits bestehende Produktionslinien) machen Ultraschall zu einer profitablen und effizienten Technologie. Zuverlässige industrielle Ultraschall-Prozessoren für die kommerzielle Produktion sind verfügbar und machen es möglich, nahezu jeglichen Volumenstrom zu behandeln.

UIP1000hd Bench-Top Ultrasonic Homogenizer

Bild 4 - Setup mit 1000W Ultraschallprozessor UIP1000hdDurchflussreaktor, Tank und Pumpe

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Literatur

  • Hielscher, T. (2005): Ultraschall Produktion von Nano-Größe-Emulsionen und Dispersionen. in: Proceedings of European Nanosystems Conference ENS’05.
  • Jomdecha, C.; Prateepasen, A. (2006): The Research of Low-Ultrasonic Energy Affects to Yeast Growth in Fermentation Process. At: 12th Asia-Pacific Conference on NDT, 5.-10.11.2006, Auckland, New Zealand.
  • Kuldiloke, J. (2002): Effect of Ultrasound, Temperature and Pressure Treatments on Enzyme Activity an Quality Indicators of Fruit and Vegetable Juices; Ph.D. Thesis at Technische Universität. Berlin, 2002.
  • Mokkila, M., Mustranta, A., Buchert, J., Poutanen, K. (2004): Combining power ultrasound with enzymes in berry juice processing. At: 2nd Int. Conf. Biocatalysis of Food and Drinks, 19.-22.9.2004, Stuttgart, Germany.
  • Müller, M. R. A.; Ehrmann, M. A.; Vogel, R. F. (2000): Multiplex PCR for the Detection of Lactobacillus pontis and Two Related Species in a Sourdough Fermentation. Applied & Environmental Microbiology. 66/5 2000. pp. 2113-2116.
  • Nikolic, S.; Mojovic, L.; Rakin, M.; Pejin, D.; Pejin, J. (2010): Ultrasound-assisted production of bioethanol by simoultaneous saccharification and fermentation of corn meal. In: Food Chemistry 122/2010. pp. 216-222.
  • Sulaiman, A. Z.; Ajit, A.; Yunus, R. M.; Cisti, Y. (2011): Ultrasound-assisted fermentation enhances bioethanol productivity. Biochemical Engineering Journal 54/2011. pp. 141–150.
  • Suslick, K. S. (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. 4th ed. Wiley & Sons: New York, 1998. pp. 517-541.
  • Yoswathana, N.; Phuriphipat, P.; Treyawutthiawat, P.; Eshtiaghi, M. N. (2010): Bioethanol Production from Rice Straw. In: Energy Research Journal 1/1 2010. pp. 26-31.