Υπερήχων υποβοηθούμενη ζύμωση για την παραγωγή βιοαιθανόλης

Υπερήχων υποβοηθούμενη ζύμωση μπορεί να ενισχύσει την παραγωγή βιοαιθανόλης με την προώθηση της διάσπασης των σύνθετων υδατανθράκων σε απλούστερα σάκχαρα, καθιστώντας τα πιο άμεσα διαθέσιμα για ζύμη να μετατραπεί σε αιθανόλη. Ταυτόχρονα, κατεργασία με υπερήχους βελτιώνει επίσης την αποτελεσματικότητα της διαπερατότητας του κυτταρικού τοιχώματος ζύμης, επιτρέποντας ταχύτερη απελευθέρωση αιθανόλης και αυξημένη συνολική παραγωγή. Με αυτόν τον τρόπο, υπερήχων υποβοηθούμενη ζύμωση βιοαιθανόλης οδηγεί σε υψηλότερα ποσοστά μετατροπής και ενισχυμένες αποδόσεις.

ζύμωση

Η ζύμωση μπορεί να είναι μια αερόβια (= οξειδωτική ζύμωση) ή αναερόβια διαδικασία, η οποία χρησιμοποιείται για βιοτεχνολογικές εφαρμογές για τη μετατροπή οργανικού υλικού από βακτηριακές, μυκητιακές ή άλλες βιολογικές κυτταροκαλλιέργειες ή από ένζυμα. Με τη ζύμωση, η ενέργεια εξάγεται από την οξείδωση οργανικών ενώσεων, π.χ. υδατανθράκων.
Η ζάχαρη είναι το πιο κοινό υπόστρωμα της ζύμωσης, με αποτέλεσμα μετά τη ζύμωση προϊόντα όπως το γαλακτικό οξύ, η λακτόζη, η αιθανόλη και το υδρογόνο. Για αλκοολική ζύμωση, αιθανόλη – ειδικά για χρήση ως καύσιμο, αλλά και για αλκοολούχα ποτά – παράγεται με ζύμωση. Όταν ορισμένα στελέχη ζύμης, όπως Σακχαρομύκητες cerevisiae μεταβολίζουν τη ζάχαρη, τα κύτταρα ζύμης μετατρέπουν την πρώτη ύλη σε αιθανόλη και διοξείδιο του άνθρακα.

Οι παρακάτω χημικές εξισώσεις συνοψίζουν τη μετατροπή:

Εάν η πρώτη ύλη είναι άμυλο, π.χ. από καλαμπόκι, πρώτα το άμυλο πρέπει να μετατραπεί σε ζάχαρη. Για τη βιοαιθανόλη που χρησιμοποιείται ως καύσιμο, απαιτείται υδρόλυση για τη μετατροπή του αμύλου. Συνήθως, η υδρόλυση επιταχύνεται με όξινη ή ενζυματική επεξεργασία ή με συνδυασμό και των δύο. Κανονικά, η ζύμωση πραγματοποιείται στους 35-40 °C περίπου.
Επισκόπηση διαφόρων διαδικασιών ζύμωσης:

Τροφή:

• παραγωγή & διατήρηση
• γαλακτοκομικά προϊόντα (ζύμωση γαλακτικού οξέος), π.χ. γιαούρτι, βουτυρόγαλα, κεφίρ
• λαχανικά που έχουν υποστεί γαλακτική ζύμωση, π.χ. kimchi, miso, natto, tsukemono, ξινολάχανο
• ανάπτυξη αρωματικών ουσιών, π.χ. σάλτσα σόγιας
• αποσύνθεση δεψικών παραγόντων, π.χ. τσάι, κακάο, καφές, καπνός
• αλκοολούχα ποτά, π.χ. μπύρα, κρασί, ουίσκι

Ουσίες:

• παραγωγή ιατρικών ενώσεων, π.χ. ινσουλίνη, υαλουρονικό οξύ

Βιοαέριο / αιθανόλη :

• βελτίωση της παραγωγής βιοαερίου / βιοαιθανόλης

Διάφορες ερευνητικές εργασίες και δοκιμές σε πάγκο και πιλοτικό μέγεθος έχουν δείξει ότι ο υπέρηχος βελτιώνει τη διαδικασία ζύμωσης καθιστώντας περισσότερη βιομάζα διαθέσιμη για την ενζυματική ζύμωση. Στην επόμενη ενότητα, θα αναπτυχθούν τα αποτελέσματα του υπερήχου σε ένα υγρό.

Επιδράσεις της υπερηχητικής υγρής επεξεργασίας

Με υπερήχους υψηλής ισχύος / χαμηλής συχνότητας μπορούν να δημιουργηθούν υψηλά πλάτη. Με αυτόν τον τρόπο, ο υπέρηχος υψηλής ισχύος / χαμηλής συχνότητας μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την επεξεργασία υγρών όπως ανάμιξη, γαλακτωματοποίηση, διασπορά και αποσυσσωμάτωση ή άλεση.
Όταν κατεργασία με υπερήχους υγρά σε υψηλές εντάσεις, τα ηχητικά κύματα που διαδίδονται στα υγρά μέσα έχουν ως αποτέλεσμα εναλλασσόμενους κύκλους υψηλής πίεσης (συμπίεσης) και χαμηλής πίεσης (αραίωση), με ρυθμούς ανάλογα με τη συχνότητα. Κατά τη διάρκεια του κύκλου χαμηλής πίεσης, τα υψηλής έντασης υπερηχητικά κύματα δημιουργούν μικρές φυσαλίδες κενού ή κενά στο υγρό. Όταν οι φυσαλίδες επιτύχουν έναν όγκο στον οποίο δεν μπορούν πλέον να απορροφήσουν ενέργεια, καταρρέουν βίαια κατά τη διάρκεια ενός κύκλου υψηλής πίεσης. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται σπηλαίωση. σπηλαίωσηΑυτό είναι “ο σχηματισμός, η ανάπτυξη και η εκρηκτική κατάρρευση φυσαλίδων σε ένα υγρό. Η σπηλαίωση κατάρρευσης παράγει έντονη τοπική θέρμανση (~ 5000 K), υψηλές πιέσεις (~ 1000 atm) και τεράστιους ρυθμούς θέρμανσης και ψύξης (>109 K/sec)” και ρεύματα υγρών εκτόξευσης (~400 km/h)". (Suslick 1998)

Υπάρχουν διάφορα μέσα για τη δημιουργία σπηλαίωσης, όπως με ακροφύσια υψηλής πίεσης, αναμικτήρες ρότορα-στάτορα ή επεξεργαστές υπερήχων. Σε όλα αυτά τα συστήματα η ενέργεια εισόδου μετατρέπεται σε τριβή, αναταράξεις, κύματα και σπηλαίωση. Το κλάσμα της ενέργειας εισόδου που μετατρέπεται σε σπηλαίωση εξαρτάται από διάφορους παράγοντες που περιγράφουν την κίνηση του εξοπλισμού παραγωγής σπηλαίωσης στο υγρό. Η ένταση της επιτάχυνσης είναι ένας από τους σημαντικότερους παράγοντες που επηρεάζουν την αποτελεσματική μετατροπή της ενέργειας σε σπηλαίωση. Η υψηλότερη επιτάχυνση δημιουργεί υψηλότερες διαφορές πίεσης. Αυτό με τη σειρά του αυξάνει την πιθανότητα δημιουργίας φυσαλίδων κενού αντί για τη δημιουργία κυμάτων που διαδίδονται μέσω του υγρού. Έτσι, όσο υψηλότερη είναι η επιτάχυνση, τόσο υψηλότερο είναι το κλάσμα της ενέργειας που μετατρέπεται σε σπηλαίωση.
Στην περίπτωση ενός μορφοτροπέα υπερήχων, το πλάτος της ταλάντωσης περιγράφει την ένταση της επιτάχυνσης. Τα υψηλότερα πλάτη έχουν ως αποτέλεσμα την αποτελεσματικότερη δημιουργία σπηλαίωσης. Εκτός από την ένταση, το υγρό θα πρέπει να επιταχυνθεί με τέτοιο τρόπο ώστε να δημιουργηθούν ελάχιστες απώλειες όσον αφορά τις αναταράξεις, την τριβή και την παραγωγή κυμάτων. Γι 'αυτό, ο βέλτιστος τρόπος είναι μια μονομερής κατεύθυνση κίνησης. Αλλάζοντας την ένταση και τις παραμέτρους της διαδικασίας υπερήχων, ο υπέρηχος μπορεί να είναι πολύ σκληρός ή πολύ μαλακός. Αυτό καθιστά τον υπέρηχο ένα πολύ ευέλικτο εργαλείο για διάφορες εφαρμογές.

Μαλακές εφαρμογές, εφαρμόζοντας ήπια υπερήχηση υπό ήπιες συνθήκες, περιλαμβάνουν Εξαέρωση, Γαλακτωματοποίηση, και ενεργοποίηση ενζύμων. Σκληρές εφαρμογές με υπερήχους υψηλής έντασης/ υψηλής ισχύος (κυρίως υπό αυξημένη πίεση) είναι υγρή άλεση, αποσυσσωμάτωση & μείωση του μεγέθους των σωματιδίων, και Διασποράς. Για πολλές εφαρμογές όπως Εξαγωγή, αποσύνθεση ή Ηχοχημεία, η ζητούμενη ένταση υπερήχων εξαρτάται από το συγκεκριμένο υλικό που πρόκειται να υποβληθεί σε υπερήχους. Με την ποικιλία των παραμέτρων, οι οποίες μπορούν να προσαρμοστούν στην ατομική διαδικασία, ο υπέρηχος επιτρέπει την εύρεση του γλυκού σημείου για κάθε μεμονωμένη διαδικασία.
Εκτός από μια εξαιρετική μετατροπή ισχύος, υπερήχους προσφέρει το μεγάλο πλεονέκτημα του πλήρους ελέγχου των πιο σημαντικών παραμέτρων: πλάτος, πίεση, θερμοκρασία, ιξώδες, και συγκέντρωση. Αυτό προσφέρει τη δυνατότητα προσαρμογής όλων αυτών των παραμέτρων με στόχο την εύρεση των ιδανικών παραμέτρων επεξεργασίας για κάθε συγκεκριμένο υλικό. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα υψηλότερη αποτελεσματικότητα καθώς και βελτιστοποιημένη απόδοση.

Υπερηχογράφημα για τη βελτίωση των διαδικασιών ζύμωσης, εξηγείται υποδειγματικά με την παραγωγή βιοαιθανόλης

Η βιοαιθανόλη είναι προϊόν της αποσύνθεσης βιομάζας ή βιοαποικοδομήσιμης ύλης αποβλήτων από αναερόβια ή αερόβια βακτήρια. Η παραγόμενη αιθανόλη χρησιμοποιείται κυρίως ως βιοκαύσιμο. Αυτό καθιστά τη βιοαιθανόλη μια ανανεώσιμη και φιλική προς το περιβάλλον εναλλακτική λύση για τα ορυκτά καύσιμα, όπως το φυσικό αέριο.
Για την παραγωγή αιθανόλης από βιομάζα, ζάχαρη, άμυλο και λιγνοκυτταρινούχα υλικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως πρώτη ύλη. Για το μέγεθος της βιομηχανικής παραγωγής, η ζάχαρη και το άμυλο κυριαρχούν επί του παρόντος, καθώς είναι οικονομικά ευνοϊκά.
Ο τρόπος με τον οποίο ο υπέρηχος βελτιώνει μια ατομική διαδικασία πελάτη με συγκεκριμένη πρώτη ύλη υπό δεδομένες συνθήκες μπορεί να δοκιμαστεί πολύ απλά με δοκιμές σκοπιμότητας. Στο πρώτο βήμα, η υπερήχηση μιας μικρής ποσότητας πολτού πρώτης ύλης με υπερήχων εργαστηριακή συσκευή θα δείξει, εάν ο υπέρηχος επηρεάζει την πρώτη ύλη.

Δοκιμές σκοπιμότητας

Στην πρώτη φάση δοκιμής, είναι κατάλληλο να εισαχθεί μια σχετικά υψηλή ποσότητα υπερηχητικής ενέργειας σε ένα μικρό όγκο υγρού, καθώς έτσι αυξάνεται η πιθανότητα να δούμε αν μπορούν να ληφθούν αποτελέσματα. Ένας μικρός όγκος δείγματος μειώνει επίσης το χρόνο χρήσης μιας εργαστηριακής συσκευής και μειώνει το κόστος για τις πρώτες δοκιμές.
Τα κύματα υπερήχων μεταδίδονται από την επιφάνεια του sonotrode στο υγρό. Κάτω από την επιφάνεια sonotrode, η ένταση του υπερήχου είναι πιο έντονη. Με αυτόν τον τρόπο, προτιμώνται μικρές αποστάσεις μεταξύ sonotrode και υλικού με υπερήχους. Όταν εκτίθεται ένας μικρός όγκος υγρού, η απόσταση από το sonotrode μπορεί να διατηρηθεί μικρή.
Ο παρακάτω πίνακας δείχνει τυπικά επίπεδα ενέργειας / όγκου για διαδικασίες υπερήχων μετά τη βελτιστοποίηση. Δεδομένου ότι οι πρώτες δοκιμές δεν θα εκτελεστούν στη βέλτιστη διαμόρφωση, ένταση υπερήχων και χρόνος από 10 έως 50 φορές της τυπικής τιμής θα δείξει εάν υπάρχει οποιαδήποτε επίδραση στο υλικό με υπερήχους ή όχι.

Διεργασία	Ενέργεια/ τόμος	Όγκος δείγματος	Δύναμη	Ώρα
απλός	< 100Ws/mL	10mL	50W	< 20 δευτ
Μέτριος	100Ws/mL έως 500Ws/mL	10mL	50W	20 έως 100 δευτερόλεπτα
Σκληρός	> 500Ws/mL	10mL	50W	>100 δευτ.

Πίνακας 1 – Τυπικές τιμές υπερήχων μετά τη βελτιστοποίηση της διαδικασίας

Η πραγματική ισχύς εισόδου των δοκιμαστικών διαδρομών μπορεί να καταγραφεί μέσω ενσωματωμένης καταγραφής δεδομένων (UP200Ht και UP200St), PC-interface ή με powermeter. Σε συνδυασμό με τα καταγεγραμμένα δεδομένα ρύθμισης πλάτους και θερμοκρασίας, μπορούν να αξιολογηθούν τα αποτελέσματα κάθε δοκιμής και να καθοριστεί μια κατώτατη γραμμή για την ενέργεια / όγκο.
Εάν κατά τη διάρκεια των δοκιμών έχει επιλεγεί μια βέλτιστη διαμόρφωση, αυτή η απόδοση διαμόρφωσης θα μπορούσε να επαληθευτεί κατά τη διάρκεια ενός βήματος βελτιστοποίησης και θα μπορούσε τελικά να κλιμακωθεί σε εμπορικό επίπεδο. Για να διευκολυνθεί η βελτιστοποίηση, συνιστάται ιδιαίτερα να εξεταστούν τα όρια της υπερήχησης, π.χ. θερμοκρασία, πλάτος ή ενέργεια / όγκος για συγκεκριμένες συνθέσεις, πάρα πολύ. Καθώς ο υπέρηχος θα μπορούσε να προκαλέσει αρνητικές επιπτώσεις στα κύτταρα, τις χημικές ουσίες ή τα σωματίδια, τα κρίσιμα επίπεδα για κάθε παράμετρο πρέπει να εξεταστούν προκειμένου να περιοριστεί η ακόλουθη βελτιστοποίηση στο εύρος παραμέτρων όπου δεν παρατηρούνται οι αρνητικές επιπτώσεις. Για τη μελέτη σκοπιμότητας συνιστώνται μικρές εργαστηριακές μονάδες ή μονάδες πάγκου για τον περιορισμό των δαπανών για εξοπλισμό και δείγματα σε τέτοιες δοκιμές. Γενικά, οι μονάδες 100 έως 1.000 Watts εξυπηρετούν πολύ καλά τους σκοπούς της μελέτης σκοπιμότητας. (πρβλ. Hielscher 2005)

βελτιστοποίηση

Τα αποτελέσματα που επιτεύχθηκαν κατά τη διάρκεια των μελετών σκοπιμότητας μπορεί να δείξουν αρκετά υψηλή κατανάλωση ενέργειας όσον αφορά τον μικρό όγκο που υποβάλλεται σε επεξεργασία. Αλλά ο σκοπός της δοκιμής σκοπιμότητας είναι κυρίως να δείξει τα αποτελέσματα του υπερήχου στο υλικό. Εάν κατά τη δοκιμή σκοπιμότητας σημειώθηκαν θετικά αποτελέσματα, πρέπει να καταβληθούν περαιτέρω προσπάθειες για τη βελτιστοποίηση της αναλογίας ενέργειας/όγκου. Αυτό σημαίνει να διερευνήσουμε την ιδανική διαμόρφωση των παραμέτρων υπερήχων για να επιτύχουμε την υψηλότερη απόδοση χρησιμοποιώντας τη λιγότερη δυνατή ενέργεια για να κάνουμε τη διαδικασία οικονομικά πιο λογική και αποτελεσματική. Για να βρείτε τη βέλτιστη διαμόρφωση παραμέτρων – Επίτευξη των επιδιωκόμενων οφελών με ελάχιστη εισροή ενέργειας - η συσχέτιση μεταξύ των πιο σημαντικών παραμέτρων πλάτος, πίεση, θερμοκρασία και υγρό Η σύνθεση πρέπει να διερευνηθεί. Σε αυτό το δεύτερο βήμα, συνιστάται η αλλαγή από παρτίδα κατεργασίας με υπερήχους σε συνεχή ρύθμιση υπερήχων με αντιδραστήρα κυψελών ροής, καθώς η σημαντική παράμετρος της πίεσης δεν μπορεί να επηρεαστεί για κατεργασία με υπερήχους παρτίδας. Κατά τη διάρκεια της υπερήχησης σε μια παρτίδα, η πίεση περιορίζεται στην πίεση περιβάλλοντος. Εάν η διαδικασία υπερήχων περνά ένα θάλαμο κυττάρων ροής υπό πίεση, η πίεση μπορεί να αυξηθεί (ή να μειωθεί), η οποία γενικά επηρεάζει τον υπερήχων σπηλαίωση δραστικά. Χρησιμοποιώντας ένα κύτταρο ροής, μπορεί να προσδιοριστεί η συσχέτιση μεταξύ πίεσης και αποτελεσματικότητας της διαδικασίας. Υπερήχων επεξεργαστές μεταξύ 500 βατ και 2000 βατ ισχύος είναι οι πλέον κατάλληλες για τη βελτιστοποίηση μιας διαδικασίας.

Κλιμάκωση στην εμπορική παραγωγή

Εάν έχει βρεθεί η βέλτιστη διαμόρφωση, η περαιτέρω κλιμάκωση είναι απλή όπως οι διαδικασίες υπερήχων πλήρως αναπαραγώγιμη σε γραμμική κλίμακα. Αυτό σημαίνει ότι, όταν ο υπέρηχος εφαρμόζεται σε ένα πανομοιότυπο υγρό σκεύασμα υπό την ίδια διαμόρφωση παραμέτρων επεξεργασίας, απαιτείται η ίδια ενέργεια ανά όγκο για να ληφθεί ένα πανομοιότυπο αποτέλεσμα ανεξάρτητα από την κλίμακα επεξεργασίας. (Hielscher 2005). Αυτό καθιστά δυνατή την εφαρμογή της βέλτιστης διαμόρφωσης παραμέτρων του υπερήχου στο μέγεθος παραγωγής πλήρους κλίμακας. Ουσιαστικά, ο όγκος που μπορεί να υποβληθεί σε επεξεργασία με υπερήχους είναι απεριόριστος. Εμπορικά συστήματα υπερήχων με έως και 16.000 βατ ανά μονάδα είναι διαθέσιμα και μπορούν να εγκατασταθούν σε συμπλέγματα. Τέτοιες συστάδες επεξεργαστών υπερήχων μπορούν να εγκατασταθούν παράλληλα ή σε σειρά. Με την εγκατάσταση επεξεργαστών υπερήχων υψηλής ισχύος, η συνολική ισχύς είναι σχεδόν απεριόριστη, έτσι ώστε τα ρεύματα μεγάλου όγκου να μπορούν να υποβληθούν σε επεξεργασία χωρίς πρόβλημα. Επίσης, εάν απαιτείται προσαρμογή του συστήματος υπερήχων, π.χ. για την προσαρμογή των παραμέτρων σε μια τροποποιημένη υγρή σύνθεση, αυτό μπορεί να γίνει κυρίως με την αλλαγή sonotrode, αναμνηστικό ή κύτταρο ροής. Η γραμμική επεκτασιμότητα, η αναπαραγωγιμότητα και η προσαρμοστικότητα των υπερήχων καθιστούν αυτή την καινοτόμο τεχνολογία αποτελεσματική και οικονομικά αποδοτική.

Παράμετροι επεξεργασίας υπερήχων

Η επεξεργασία υγρών υπερήχων περιγράφεται από διάφορες παραμέτρους. Τα πιο σημαντικά είναι το πλάτος, η πίεση, η θερμοκρασία, το ιξώδες και η συγκέντρωση. Το αποτέλεσμα της διαδικασίας, όπως το μέγεθος των σωματιδίων, για μια δεδομένη διαμόρφωση παραμέτρου είναι συνάρτηση της ενέργειας ανά επεξεργασμένο όγκο. Η λειτουργία αλλάζει με αλλαγές σε μεμονωμένες παραμέτρους. Επιπλέον, η πραγματική ισχύς εξόδου ανά επιφάνεια του sonotrode μιας μονάδας υπερήχων εξαρτάται από τις παραμέτρους. Η ισχύς εξόδου ανά επιφάνεια του sonotrode είναι η επιφανειακή ένταση (I). Η ένταση της επιφάνειας εξαρτάται από το πλάτος (A), την πίεση (p), τον όγκο του αντιδραστήρα (VR), τη θερμοκρασία (T), το ιξώδες (η) και άλλα.

Ο αντίκτυπος της παραγόμενης σπηλαίωσης εξαρτάται από την ένταση της επιφάνειας. Με τον ίδιο τρόπο, το αποτέλεσμα της διαδικασίας συσχετίζεται. Η συνολική ισχύς εξόδου μιας μονάδας υπερήχων είναι το γινόμενο της επιφανειακής έντασης (I) και της επιφάνειας (S):

p [w] εγώ [w / χιλ.²]* s[χιλ.²]

πλάτος

Το πλάτος της ταλάντωσης περιγράφει τον τρόπο (π.χ. 50 μm) που ταξιδεύει η επιφάνεια sonotrode σε δεδομένο χρόνο (π.χ. 1/20.000s στα 20kHz). Όσο μεγαλύτερο είναι το πλάτος, τόσο υψηλότερος είναι ο ρυθμός με τον οποίο η πίεση μειώνεται και αυξάνεται σε κάθε διαδρομή. Επιπλέον, η μετατόπιση όγκου κάθε διαδρομής αυξάνεται με αποτέλεσμα μεγαλύτερο όγκο σπηλαίωσης (μέγεθος φυσαλίδας ή / και αριθμός). Όταν εφαρμόζονται σε διασπορές, τα υψηλότερα πλάτη δείχνουν υψηλότερη καταστροφικότητα στα στερεά σωματίδια. Ο πίνακας 1 δείχνει γενικές τιμές για ορισμένες διαδικασίες υπερήχων.

πίεση

Το σημείο βρασμού ενός υγρού εξαρτάται από την πίεση. Όσο υψηλότερη είναι η πίεση, τόσο υψηλότερο είναι το σημείο βρασμού και αντίστροφα. Η αυξημένη πίεση επιτρέπει τη σπηλαίωση σε θερμοκρασίες κοντά ή πάνω από το σημείο βρασμού. Αυξάνει επίσης την ένταση της κατάρρευσης, η οποία σχετίζεται με τη διαφορά μεταξύ της στατικής πίεσης και της πίεσης ατμών μέσα στη φυσαλίδα (βλ. Vercet et al. 1999). Δεδομένου ότι η ισχύς και η ένταση των υπερήχων αλλάζουν γρήγορα με αλλαγές στην πίεση, προτιμάται μια αντλία σταθερής πίεσης. Κατά την παροχή υγρού σε μια κυψέλη ροής, η αντλία πρέπει να είναι ικανή να χειρίζεται τη συγκεκριμένη ροή υγρού σε κατάλληλες πιέσεις. Αντλίες διαφράγματος ή μεμβράνης. αντλίες εύκαμπτου σωλήνα, εύκαμπτου σωλήνα ή συμπίεσης. περισταλτικές αντλίες. ή η αντλία εμβόλου ή εμβόλου θα δημιουργήσει εναλλασσόμενες διακυμάνσεις πίεσης. Προτιμώνται οι φυγοκεντρικές αντλίες, οι γραναζωτές αντλίες, οι σπειροειδείς αντλίες και οι προοδευτικές αντλίες κοιλότητας που τροφοδοτούν το υγρό που πρόκειται να υποβληθεί σε υπερήχους σε συνεχώς σταθερή πίεση. (Hielscher 2005)

θερμοκρασία

Με υπερήχηση ενός υγρού, η ισχύς μεταδίδεται στο μέσο. Καθώς η ταλάντωση που παράγεται με υπερήχους προκαλεί αναταράξεις και τριβή, το υπερήχων υγρό – σύμφωνα με το νόμο της θερμοδυναμικής – θα ζεσταθεί. Οι αυξημένες θερμοκρασίες του επεξεργασμένου μέσου μπορεί να είναι καταστροφικές για το υλικό και να μειώσουν την αποτελεσματικότητα της υπερηχητικής σπηλαίωσης. Τα καινοτόμα κύτταρα ροής υπερήχων είναι εξοπλισμένα με ψυκτικό μπουφάν (βλ. Εικόνα). Με αυτό, δίνεται ο ακριβής έλεγχος της θερμοκρασίας του υλικού κατά τη διάρκεια της επεξεργασίας υπερήχων. Για το ποτήρι ζέσεως με υπερήχους μικρότερων όγκων συνιστάται ένα λουτρό πάγου για απαγωγή θερμότητας.

Ιξώδες και συγκέντρωση

Υπερήχων άλεσμα και Διασποράς είναι υγρές διεργασίες. Τα σωματίδια πρέπει να βρίσκονται σε αιώρηση, π.χ. σε νερό, λάδι, διαλύτες ή ρητίνες. Με τη χρήση υπερηχητικών συστημάτων ροής, καθίσταται δυνατή η υπερήχηση πολύ ιξώδους, πάστας υλικού.
Υψηλής ισχύος υπερήχων επεξεργαστή μπορεί να τρέξει σε αρκετά υψηλές συγκεντρώσεις στερεών. Μια υψηλή συγκέντρωση παρέχει την αποτελεσματικότητα της επεξεργασίας υπερήχων, καθώς το φαινόμενο άλεσης υπερήχων προκαλείται από σύγκρουση μεταξύ σωματιδίων. Έρευνες έχουν δείξει ότι ο ρυθμός θραύσης του διοξειδίου του πυριτίου είναι ανεξάρτητος από τη στερεά συγκέντρωση έως και 50% κατά βάρος. Η επεξεργασία των κύριων παρτίδων με αναλογία εξαιρετικά συμπυκνωμένου υλικού είναι μια κοινή διαδικασία παραγωγής χρησιμοποιώντας υπερήχους.

Ισχύς και ένταση έναντι ενέργειας

Η ένταση της επιφάνειας και η συνολική ισχύς περιγράφουν μόνο την ένταση της επεξεργασίας. Ο όγκος του δείγματος με υπερήχους και ο χρόνος έκθεσης σε ορισμένη ένταση πρέπει να λαμβάνονται υπόψη για να περιγράψουν μια διαδικασία υπερήχων προκειμένου να καταστεί κλιμακούμενη και αναπαραγώγιμη. Για μια δεδομένη διαμόρφωση παραμέτρων, το αποτέλεσμα της διαδικασίας, π.χ. μέγεθος σωματιδίων ή χημική μετατροπή, εξαρτάται από την ενέργεια κατ' όγκο (E/V).

Αποτέλεσμα = F (E /V )

Όπου η ενέργεια (E) είναι το γινόμενο της ισχύος εξόδου (P) και του χρόνου έκθεσης (t).

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

Οι αλλαγές στη διαμόρφωση παραμέτρων θα αλλάξουν τη λειτουργία αποτελέσματος. Αυτό με τη σειρά του θα μεταβάλει την ποσότητα ενέργειας (E) που απαιτείται για μια δεδομένη τιμή δείγματος (V) για να ληφθεί μια συγκεκριμένη τιμή αποτελέσματος. Για το λόγο αυτό, δεν αρκεί να αναπτυχθεί μια ορισμένη ισχύς υπερήχων σε μια διαδικασία για να επιτευχθεί αποτέλεσμα. Απαιτείται μια πιο εξελιγμένη προσέγγιση για τον προσδιορισμό της απαιτούμενης ισχύος και της διαμόρφωσης παραμέτρων στην οποία πρέπει να τοποθετηθεί η ισχύς στο υλικό διεργασίας. (Hielscher 2005)

Υπερήχων υποβοηθούμενη παραγωγή βιοαιθανόλης

Είναι ήδη γνωστό ότι ο υπέρηχος βελτιώνει την παραγωγή βιοαιθανόλης. Συνιστάται η πάχυνση του υγρού με βιομάζα σε έναν εξαιρετικά ιξώδη πολτό που εξακολουθεί να είναι αντλήσιμος. Οι υπερηχητικοί αντιδραστήρες μπορούν να χειριστούν αρκετά υψηλές στερεές συγκεντρώσεις, έτσι ώστε η διαδικασία υπερήχων να μπορεί να τρέξει πιο αποτελεσματικά. Όσο περισσότερο υλικό περιέχεται στον πολτό, τόσο λιγότερο υγρό φορέα, το οποίο δεν θα επωφεληθεί από τη διαδικασία υπερήχων, θα υποβληθεί σε επεξεργασία. Καθώς η είσοδος ενέργειας σε ένα υγρό προκαλεί θέρμανση του υγρού με νόμο της θερμοδυναμικής, αυτό σημαίνει ότι η υπερηχητική ενέργεια εφαρμόζεται στο υλικό-στόχο, όσο το δυνατόν περισσότερο. Με έναν τόσο αποτελεσματικό σχεδιασμό διεργασίας, αποφεύγεται η σπάταλη θέρμανση της περίσσειας του φέροντος υγρού.
Ο υπέρηχος βοηθά την Εξαγωγή του ενδοκυτταρικού υλικού και το καθιστά έτσι διαθέσιμο για την ενζυματική ζύμωση. Η ήπια θεραπεία με υπερήχους μπορεί να ενισχύσει την ενζυματική δραστηριότητα, αλλά για την εκχύλιση βιομάζας θα απαιτηθεί πιο έντονο υπερηχογράφημα. Ως εκ τούτου, τα ένζυμα θα πρέπει να προστεθούν στον πολτό βιομάζας μετά την υπερήχηση καθώς ο έντονος υπέρηχος αδρανοποιεί τα ένζυμα, κάτι που δεν είναι επιθυμητό αποτέλεσμα.

Τρέχοντα αποτελέσματα που επιτυγχάνονται από την επιστημονική έρευνα:

Οι μελέτες του Yoswathana et al. (2010) σχετικά με την παραγωγή βιοαιθανόλης από άχυρο ρυζιού έχουν δείξει ότι ο συνδυασμός όξινης προεπεξεργασίας και υπερήχων πριν από την ενζυματική επεξεργασία οδηγεί σε αυξημένη απόδοση ζάχαρης έως και 44% (σε βάση άχυρου ρυζιού). Αυτό δείχνει την αποτελεσματικότητα του συνδυασμού φυσικής και χημικής προεπεξεργασίας πριν από την ενζυματική υδρόλυση του υλικού λιγνοκυτταρίνης σε ζάχαρη.

Διάγραμμα 2 απεικονίζει τα θετικά αποτελέσματα της υπερηχητικής ακτινοβολίας κατά τη διάρκεια της παραγωγής βιοαιθανόλης από άχυρο ρυζιού γραφικά. (Ο άνθρακας έχει χρησιμοποιηθεί για την αποτοξίνωση των προεπεξεργασμένων δειγμάτων από προεπεξεργασία οξέος / ενζύμου και προεπεξεργασία υπερήχων.)

Σε μια άλλη πρόσφατη μελέτη, έχει εξεταστεί η επίδραση της υπερήχων στα εξωκυτταρικά και ενδοκυτταρικά επίπεδα του ενζύμου β-γαλακτοσιδάσης. Sulaiman et al. (2011) θα μπορούσε να βελτιώσει σημαντικά την παραγωγικότητα της παραγωγής βιοαιθανόλης, χρησιμοποιώντας υπερήχους σε ελεγχόμενη θερμοκρασία που διεγείρει την ανάπτυξη ζύμης του Kluyveromyces marxianus (ATCC 46537). Οι συντάκτες της εργασίας επαναλαμβάνει ότι η διαλείπουσα υπερήχηση με υπερήχους ισχύος (20 kHz) σε κύκλους λειτουργίας ≤20% διέγειρε την παραγωγή βιομάζας, μεταβολισμό λακτόζης και παραγωγή αιθανόλης στο K. marxianus σε σχετικά υψηλή ένταση υπερήχων 11.8Wcm⁻². Υπό τις καλύτερες συνθήκες, κατεργασία με υπερήχους ενίσχυσε την τελική συγκέντρωση αιθανόλης κατά σχεδόν 3.5-φορές σε σχέση με τον έλεγχο. Αυτό αντιστοιχούσε σε μια ενίσχυση 3.5 φορές στην παραγωγικότητα αιθανόλης, αλλά απαιτούσε 952W πρόσθετης εισόδου ισχύος ανά κυβικό μέτρο ζωμού μέσω υπερήχων. Αυτή η πρόσθετη απαίτηση για ενέργεια ήταν σίγουρα εντός των αποδεκτών λειτουργικών προτύπων για τους βιοαντιδραστήρες και, για τα προϊόντα υψηλής αξίας, θα μπορούσε εύκολα να αντισταθμιστεί από την αυξημένη παραγωγικότητα.

Συμπέρασμα: Οφέλη από την υπερηχητικά υποβοηθούμενη ζύμωση

Υπερήχων θεραπεία έχει αποδειχθεί ως μια αποτελεσματική και καινοτόμος τεχνική για την ενίσχυση της απόδοσης βιοαιθανόλης. Κατά κύριο λόγο, ο υπέρηχος χρησιμοποιείται για την εξαγωγή ενδοκυτταρικού υλικού από βιομάζα, όπως καλαμπόκι, σόγια, άχυρο, λιγνοκυτταρινούχο υλικό ή φυτικά απόβλητα.

• Αύξηση της απόδοσης βιοαιθανόλης
• Αποτέφρωση/ Καταστροφή κυττάρων και απελευθέρωση ενδοκυτταρικού υλικού
• Βελτιωμένη αναερόβια αποσύνθεση
• Ενεργοποίηση των ενζύμων με ήπια υπερήχηση
• Βελτίωση της αποδοτικότητας της διεργασίας με υδαρή κοπριά υψηλής συγκέντρωσης

Η απλή δοκιμή, αναπαραγώγιμη κλιμάκωση και εύκολη εγκατάσταση (επίσης σε ήδη υπάρχουσες ροές παραγωγής) καθιστά υπερήχους μια κερδοφόρα και αποτελεσματική τεχνολογία. Αξιόπιστοι βιομηχανικοί επεξεργαστές υπερήχων για εμπορική επεξεργασία είναι διαθέσιμοι και καθιστούν δυνατή την υπερήχηση σχεδόν απεριόριστων όγκων υγρών.