Υπερήχους Υποβοηθούμενη ζύμωση για την παραγωγή βιοαιθανόλης Παραγωγή

Ζύμωση

Η ζύμωση μπορεί να είναι μια αερόβια (= οξειδωτική ζύμωση) ή αναερόβια διαδικασία, η οποία χρησιμοποιείται για βιοτεχνολογικές εφαρμογές να μετατραπεί το οργανικό υλικό από βακτηριακές, μυκητιασικές ή άλλες καλλιέργειες βιολογικών κυττάρων ή από ένζυμα. Με ζύμωση, ενέργεια εξάγεται από την οξείδωση των οργανικών ενώσεων, π.χ. υδατάνθρακες.

Η ζάχαρη είναι η πιο κοινή υπόστρωμα της ζύμωσης, με αποτέλεσμα μετά από ζύμωση σε προϊόντα όπως το γαλακτικό οξύ, λακτόζη, αιθανόλη και υδρογόνο. Για αλκοολική ζύμωση, αιθανόλη - ειδικά για χρήση ως καύσιμο, αλλά επίσης και για τα αλκοολούχα ποτά – παράγεται με ζύμωση. Όταν ορισμένα στελέχη ζυμομυκήτων, όπως Σακχαρόμυλος μεταβολίζουν σάκχαρο, τα κύτταρα ζυμομύκητα μετατρέπουν το αρχικό υλικό σε αιθανόλη και διοξείδιο του άνθρακα.

Οι παρακάτω χημικές εξισώσεις συνοψίζουν την μετατροπή:

Αν το αρχικό υλικό είναι άμυλο, π.χ. από καλαμπόκι, πρώτον το άμυλο πρέπει να μετατραπεί σε ζάχαρη. Για βιοαιθανόλη χρησιμοποιείται ως καύσιμο, απαιτείται υδρόλυσης για την μετατροπή του αμύλου. Τυπικά, η υδρόλυση επιταχύνεται με όξινη ή ενζυματική επεξεργασία ή με συνδυασμό και των δύο. Κανονικά, η ζύμωση διεξάγεται σε περίπου 35-40 ° C.
Επισκόπηση υπεράνω διάφορες διεργασίες ζύμωσης:

Τροφή :

• παραγωγή & διατήρηση
• γαλακτοκομικά (ζύμωση γαλακτικού οξέος), π.χ. το γιαούρτι, το βουτυρόγαλα, το κεφίρ
• έχουν υποστεί ζύμωση λαχανικά γαλακτικό, π.χ. kimchi, miso, natto, tsukemono, λάχανο τουρσί
• ανάπτυξη των αρωματικών, π.χ. σάλτσα σόγιας
• αποσύνθεση των παραγόντων μαυρίσματος, π.χ. τσάι, κακάο, καφέ, καπνού
• αλκοολούχων ποτών, π.χ. μπύρα, κρασί, ουίσκι

Φάρμακα :

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

Βιοαέριο / αιθανόλη:

• βελτίωση της βιοαερίου / παραγωγής βιοαιθανόλης

Διάφορες ερευνητικές εργασίες και οι δοκιμές σε πάγκο-top και πιλοτικά μέγεθος έχουν δείξει ότι υπερηχογράφημα βελτιώνει τη διαδικασία ζύμωσης με τη διάθεση περισσότερο βιομάζας για την ενζυματική ζύμωση. Στο ακόλουθο τμήμα, θα αναπτυχθεί λεπτομερώς τα αποτελέσματα των υπερήχων σε ένα υγρό.

Επιδράσεις των Υπερήχων Επεξεργασίας Υγρών

Με υψηλής ισχύος / υπερήχων χαμηλής συχνότητας υψηλή πλάτη μπορεί να παραχθεί. Με αυτόν τον τρόπο, υψηλής ισχύος / υπερήχων χαμηλής συχνότητας μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την επεξεργασία υγρών όπως ανάμιξη, γαλακτωματοποίηση, διασπορά και deagglomeration, ή άλεση.
Όταν sonicating υγρά σε υψηλές εντάσεις, τα ηχητικά κύματα που διαδίδουν στο υγρό μέσο να οδηγήσει σε εναλλασσόμενο υψηλής πίεσης (συμπίεση) και χαμηλής πίεσης (αραίωση) κύκλοι, με ποσοστά ανάλογα με τη συχνότητα. Κατά τη διάρκεια του κύκλου χαμηλής πίεσης, υψηλής έντασης κύματα υπερήχων δημιουργήσει μικρές φυσαλίδες κενού ή κενά στο υγρό. Όταν οι φυσαλίδες επίτευξη ενός όγκου κατά την οποία δεν μπορούν πλέον να απορροφήσουν την ενέργεια, που κατάρρευση βίαια κατά τη διάρκεια ενός κύκλου υψηλής πίεσης. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται σπηλαίωσης. σπηλαίωση, αυτό είναι “ο σχηματισμός, η ανάπτυξη, και implosive κατάρρευση των φυσαλίδων σε ένα υγρό. Cavitational κατάρρευση παράγει έντονη τοπική θέρμανση (~ 5000 K), υψηλές πιέσεις (~ 1000 atm), και την τεράστια θέρμανσης και ψύξης ποσοστά (>109 K / sec)” και υγρά ρεύματα jet (~ 400 km / h)». (Suslick 1998)

Υπάρχουν διαφορετικά μέσα δημιουργίας σπηλαίωσης, όπως ακροφύσια υψηλής πίεσης, αναμικτήρες στροφέα-στάτορα ή επεξεργαστές υπερήχων. Σε όλα αυτά τα συστήματα, η ενέργεια εισόδου μετατρέπεται σε τριβή, στροβιλισμούς, κύματα και σπηλαίωση. Το κλάσμα της ενέργειας εισόδου που μετατρέπεται σε σπηλαίωση εξαρτάται από διάφορους παράγοντες που περιγράφουν την κίνηση του εξοπλισμού παραγωγής σπηλαίων στο υγρό. Η ένταση της επιτάχυνσης είναι ένας από τους σημαντικότερους παράγοντες που επηρεάζουν την αποτελεσματική μετατροπή της ενέργειας σε σπηλαίωση. Μεγαλύτερη επιτάχυνση δημιουργεί υψηλότερες διαφορές πίεσης. Αυτό με τη σειρά του αυξάνει την πιθανότητα δημιουργίας φυσαλίδων κενού αντί της δημιουργίας κυμάτων που διαδίδονται μέσω του υγρού. Έτσι, όσο υψηλότερη είναι η επιτάχυνση τόσο υψηλότερο είναι το κλάσμα της ενέργειας που μετατρέπεται σε σπηλαίωση.
Σε περίπτωση ενός υπερηχητικού μορφοτροπέα, το πλάτος της ταλάντωσης περιγράφει την ένταση της επιτάχυνσης. Υψηλότερες πλάτη οδηγήσει σε μια πιο αποτελεσματική δημιουργία της σπηλαίωσης. Εκτός από την ένταση, το υγρό θα πρέπει να επιταχυνθεί κατά τρόπο ώστε να δημιουργούν ελάχιστες απώλειες από την άποψη της αναταραχών, τριβή και την παραγωγή κύμα. Για το σκοπό αυτό, ο βέλτιστος τρόπος είναι μια μονομερή κατεύθυνση της κίνησης. Αλλάζοντας την ένταση και τις παραμέτρους της διαδικασίας επεξεργασίας με υπερήχους, υπέρηχοι μπορεί να είναι πολύ σκληρά ή πολύ μαλακό. Αυτό κάνει υπερηχογράφημα ένα πολύ ευέλικτο εργαλείο για διάφορες εφαρμογές.

Μαλακό εφαρμογές, εφαρμόζοντας ήπια κατεργασία με υπερήχους υπό ήπιες συνθήκες, περιλαμβάνουν απαέρωση, Γαλακτωματοποιητές, Και την ενεργοποίηση του ενζύμου. Σκληρό εφαρμογές με υψηλής έντασης / υψηλή ισχύς υπερήχων (ως επί το πλείστον κάτω από υψηλή πίεση) είναι υγρή άλεση, αποσυσσωμάτωση & μείωση του μεγέθους των σωματιδίων, και διασποράς. Για πολλές εφαρμογές, όπως Εξαγωγή, Αποσύνθεση ή sonochemistry, Η ένταση υπερήχων ζήτησε εξαρτάται από το συγκεκριμένο υλικό που πρόκειται να κατεργασία με υπερήχους. Με την ποικιλία των παραμέτρων, οι οποίες μπορούν να προσαρμοστούν στην ατομική διαδικασία, υπερήχων επιτρέπει την εύρεση της γλυκό σημείο για κάθε μεμονωμένη διαδικασία.
Εκτός από μια εξαιρετική μετατροπής ισχύος, υπερήχους προσφέρει το μεγάλο πλεονέκτημα του πλήρη έλεγχο των πιο σημαντικών παραμέτρων: Amplitude, πίεσης, θερμοκρασίας, ιξώδες, και συγκέντρωση. Αυτό προσφέρει τη δυνατότητα να προσαρμόσετε όλες αυτές τις παραμέτρους, με στόχο να βρει τις ιδανικές παραμέτρους επεξεργασίας για κάθε συγκεκριμένο υλικό. Αυτό οδηγεί σε υψηλότερη αποτελεσματικότητα καθώς και σε βελτιστοποιημένη απόδοση.

Υπερήχων για τη βελτίωση της ζύμωσης διαδικασίες, εξήγησε παραδειγματικά με την παραγωγή βιοαιθανόλης

Η βιοαιθανόλη είναι ένα προϊόν της αποσύνθεσης της βιομάζας ή βιοαποικοδομήσιμα θέμα των αποβλήτων με αναερόβια ή αερόβια βακτηρίδια. Το παραγόμενο αιθανόλη χρησιμοποιείται κυρίως ως βιοκαύσιμο. Αυτό καθιστά βιοαιθανόλη μια ανανεώσιμων και φιλικών προς το περιβάλλον εναλλακτική λύση για τα ορυκτά καύσιμα, όπως το φυσικό αέριο.
Για την παραγωγή αιθανόλης από βιομάζα, ζάχαρη, άμυλο, και λιγνοκυτταρινικό υλικό μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως πρώτη ύλη. Για βιομηχανική παραγωγή το μέγεθος, τη ζάχαρη και το άμυλο είναι επί του παρόντος κυρίαρχο δεδομένου ότι είναι οικονομικά ευνοϊκές.
Πώς υπερηχογράφημα βελτιώνει τον πελάτη ατομική διαδικασία με συγκεκριμένη πρώτη ύλη κάτω από δεδομένες συνθήκες μπορεί να δοκιμάσει πολύ απλό από δοκιμές σκοπιμότητας. Στο πρώτο βήμα, την υπερήχηση ενός μικρού ποσού του πολτού πρώτης ύλης με ένα υπερηχητικό εργαστηριακή συσκευή θα δείξει, αν υπερηχογράφημα επηρεάζει την πρώτη ύλη.

Έλεγχος σκοπιμότητας

Στην πρώτη φάση δοκιμών, είναι κατάλληλο να εισαχθεί μια σχετικά υψηλή ποσότητα της υπερηχητικής ενέργειας σε ένα μικρό όγκο του υγρού καθώς με αυτόν τον τρόπο την πιθανότητα αυξάνεται για να δούμε αν μπορεί να ληφθεί οποιαδήποτε αποτελέσματα. Ένας μικρός όγκος δείγματος μειώνει επίσης το χρόνο χρησιμοποιώντας μια συσκευή εργαστηρίου και μειώνει το κόστος για τις πρώτες δοκιμές.
Τα υπερηχητικά κύματα που μεταδίδονται από την επιφάνεια της sonotrode του μέσα στο υγρό. Beneth την επιφάνεια sonotrode, η ένταση υπερήχων είναι πιο έντονη. Με αυτόν τον τρόπο, οι μικρές αποστάσεις μεταξύ sonotrode και υπερηχήθηκε υλικό προτιμώνται. Όταν ένας μικρός όγκος υγρού είναι εκτεθειμένη, η απόσταση από το sonotrode μπορεί να διατηρηθεί μικρή.
Ο παρακάτω πίνακας δείχνει τυπικά επίπεδα ενέργειας / όγκου για τις διαδικασίες κατεργασίας με υπερήχους μετά τη βελτιστοποίηση. Δεδομένου ότι οι πρώτες δοκιμές δεν θα λειτουργεί στη βέλτιστη διαμόρφωση, ένταση υπερήχους και χρόνο κατά 10 έως 50 φορές της χαρακτηριστική τιμή θα δείξει αν υπάρχει οποιαδήποτε επίδραση στην επεξεργασία με υπερήχους υλικό ή όχι.

Επεξεργάζομαι, διαδικασία	Ενέργεια/ Ενταση ΗΧΟΥ	Όγκος δείγματος	Εξουσία	χρόνος
Απλός	< 100Ws / mL	10 ml	50w	< 20 δευτ.
Μεσαίο	100Ws / mL έως 500Ws / mL	10 ml	50w	20 έως 100 sec
Σκληρά	> 500Ws / mL	10 ml	50w	>100 SEC

Τραπέζι 1 – Τυπικές τιμές υπερήχηση μετά τη βελτιστοποίηση της διαδικασίας

Η πραγματική ισχύς εισόδου για τις δοκιμές λειτουργίας μπορεί να καταγραφεί μέσω ολοκληρωμένης καταγραφής δεδομένων (Uf200 ः t και UP200St), PC-interface ή με PowerMeter. Σε συνδυασμό με τα καταγεγραμμένα δεδομένα της ρύθμισης πλάτους και της θερμοκρασίας, τα αποτελέσματα κάθε δοκιμής μπορεί να αξιολογηθεί και να μπορεί να δημιουργηθεί μια κάτω γραμμή για την ενέργεια / όγκο.
Εάν κατά τη διάρκεια των δοκιμών έχει επιλεγεί η 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. Δεδομένου ότι ο υπερηχογράφος μπορεί να δημιουργήσει αρνητικά αποτελέσματα στα κύτταρα, τα χημικά ή τα σωματίδια, πρέπει να εξεταστούν τα κρίσιμα επίπεδα για κάθε παράμετρο ώστε να περιοριστεί η ακόλουθη βελτιστοποίηση στο εύρος παραμέτρων όπου δεν παρατηρούνται οι αρνητικές επιπτώσεις. Για τη μελέτη σκοπιμότητας συνιστώνται μικρές μονάδες εργαστηρίου ή πάγκου για τον περιορισμό των δαπανών εξοπλισμού και δειγμάτων σε τέτοιες δοκιμές. Γενικά, οι μονάδες των 100 έως 1000 Watts εξυπηρετούν πολύ καλά τους σκοπούς της μελέτης σκοπιμότητας. (βλέπε Hielscher 2005)

Βελτιστοποίηση

Τα αποτελέσματα που επιτεύχθηκαν κατά τη διάρκεια των μελετών σκοπιμότητας μπορούν να παρουσιάζουν μία αρκετά υψηλή κατανάλωση ενέργειας σχετικά μικρού όγκου αγωγή. Αλλά ο σκοπός της δοκιμής σκοπιμότητας είναι κατά κύριο λόγο για να δείξει τα αποτελέσματα των υπερήχων στο υλικό. Εάν σε συνέβη σκοπιμότητας δοκιμή θετικά αποτελέσματα, πρέπει να καταβληθούν περαιτέρω προσπάθειες για τη βελτιστοποίηση της αναλογίας ενέργειας / όγκου. Αυτό σημαίνει να διερευνήσει την ιδανική διαμόρφωση των παραμέτρων υπερήχων για την επίτευξη της υψηλότερης απόδοσης χρησιμοποιώντας το λιγότερο δυνατό ενέργεια για να καταστήσει τη διαδικασία οικονομικά πλέον εύλογη και αποδοτική. Για να βρείτε τη βέλτιστη διαμόρφωση παράμετρο – οφέλη με ελάχιστη εισροή ενέργειας – η συσχέτιση μεταξύ των σημαντικότερων παραμέτρων πλάτος, πίεση, θερμοκρασία και υγρό σύνθεση πρέπει να διερευνηθούν. Σε αυτό το δεύτερο βήμα η αλλαγή από υπερήχηση παρτίδα σε μία συνεχή εγκατάσταση κατεργασίας με υπερήχους με αντιδραστήρα κελί ροής συνιστάται καθώς η σημαντική παράμετρος της πίεσης δεν μπορεί να επηρεασθεί για υπερήχηση παρτίδα. Κατά τη διάρκεια κατεργασίας με υπερήχους σε μια παρτίδα, η πίεση περιορίζεται σε πίεση περιβάλλοντος. Εάν η διαδικασία επεξεργασίας με υπερήχους περνάει από ένα πιεστικό θάλαμο κυττάρου ροής, η πίεση μπορεί να ανυψωθεί (ή μειωμένη) το οποίο σε γενικές γραμμές επηρεάζει το υπερηχητικό σπηλαίωση δραστικά. Με τη χρήση ενός κυττάρου ροής, μπορεί να προσδιοριστεί η συσχέτιση μεταξύ της πίεσης και της αποτελεσματικότητας της διαδικασίας. Υπερήχων επεξεργαστές μεταξύ 500 Watt και 2000 Watt της ισχύος είναι οι πιο κατάλληλες για να βελτιστοποιήσουν μία διεργασία.

Scale-Up για εμπορική παραγωγή

Αν έχει βρεθεί η βέλτιστη διαμόρφωση, η περαιτέρω κλιμάκωση είναι απλή η υπερηχητική διαδικασίες είναι πλήρως αναπαραγώγιμη σε γραμμική κλίμακα. Αυτό σημαίνει ότι όταν εφαρμόζεται υπερήχων σε ένα ίδιο υγρό σκεύασμα υπό την ίδια διαμόρφωση παραμέτρων επεξεργασίας, απαιτείται η ίδια ενέργεια ανά όγκο για να επιτευχθεί ένα πανομοιότυπο αποτέλεσμα ανεξάρτητο από την κλίμακα επεξεργασίας. (Hielscher 2005). Αυτό καθιστά δυνατή την υλοποίηση της βέλτιστης διαμόρφωσης παραμέτρων υπερήχων στο μέγεθος παραγωγής πλήρους κλίμακας. Ουσιαστικά, ο όγκος που μπορεί να υποβληθεί σε υπερηχητική επεξεργασία είναι απεριόριστος. Εμπορικά υπερηχητικά συστήματα με έως και 16.000 βατ ανά μονάδα είναι διαθέσιμη και μπορεί να εγκατασταθεί σε συστάδες. Αυτές οι συστάδες των υπερήχων επεξεργαστές μπορούν να τοποθετηθούν παράλληλα ή σε σειρά. Με το σύμπλεγμα-σοφός εγκατάσταση υψηλής ισχύος υπερήχων επεξεργαστές, η συνολική ισχύς είναι σχεδόν απεριόριστες, έτσι ώστε ρεύματα υψηλής έντασης μπορεί να υποβληθούν σε επεξεργασία χωρίς πρόβλημα. Επίσης εάν απαιτείται μια προσαρμογή του υπερηχητικού συστήματος, π.χ. να προσαρμόσουν τις παραμέτρους σε ένα τροποποιημένο υγρό σκεύασμα, αυτό μπορεί να γίνει ως επί το πλείστον με την αλλαγή sonotrode, αναμνηστική ή κυψελίδα ροής. Η γραμμική δυνατότητα κλιμάκωσης, η επαναληψιμότητα και η προσαρμοστικότητα των υπερήχων κάνει αυτή η καινοτόμος τεχνολογία αποτελεσματική και αποδοτική.

Παράμετροι της επεξεργασίας υπερήχων

Η υπερηχητική επεξεργασία υγρών περιγράφεται από έναν αριθμό παραμέτρων. Τα πιο σημαντικά είναι το εύρος, η πίεση, η θερμοκρασία, το ιξώδες και η συγκέντρωση. Το αποτέλεσμα της διαδικασίας, όπως το μέγεθος σωματιδίων, για μια δεδομένη διαμόρφωση παραμέτρων είναι συνάρτηση της ενέργειας ανά επεξεργασμένο όγκο. Η λειτουργία αλλάζει με αλλαγές στις μεμονωμένες παραμέτρους. Επιπλέον, η πραγματική ισχύς εξόδου ανά επιφάνεια της sonotrode μιας υπερηχητικής μονάδας εξαρτάται από τις παραμέτρους. Η ισχύς εξόδου ανά επιφάνεια της sonotrode είναι η επιφανειακή ένταση (I). Η ένταση της επιφάνειας εξαρτάται από το πλάτος (Α), την πίεση (ρ), τον όγκο του αντιδραστήρα (VR), τη θερμοκρασία (Τ), το ιξώδες (η) και άλλα.

Ο αντίκτυπος της παραγόμενης σπηλαίωσης εξαρτάται από την ένταση επιφάνειας. Κατά τον ίδιο τρόπο, το αποτέλεσμα της διαδικασίας συσχετίζεται. Η συνολική ισχύς εξόδου ενός υπερηχητικού μονάδα είναι το προϊόν της έντασης επιφάνειας (Ι) και το εμβαδόν επιφανείας (S):

Π [W] Εγώ [W / / Mm²] * μικρό[Mm²]

εύρος

Το πλάτος της ταλάντωσης περιγράφει τον τρόπο (π.χ. 50 μm) η επιφάνεια sonotrode ταξιδεύει σε μια δεδομένη χρονική στιγμή (π.χ. 1 / 20,000s σε 20kHz). Όσο μεγαλύτερη είναι η εύρος, τόσο υψηλότερος είναι ο ρυθμός με τον οποίο οι χαμηλώνει την πίεση και αυξάνεται σε κάθε διαδρομή. Εκτός από αυτό, η μετατόπιση όγκος κάθε εγκεφαλικού επεισοδίου αυξάνει οδηγώντας σε μεγαλύτερο όγκο σπηλαίωση (μέγεθος φυσαλίδων και / ή τον αριθμό). Όταν εφαρμόζεται σε διασπορές, τα υψηλότερα εύρη δείχνουν μια υψηλότερη καταστροφικότητα σε στερεά σωματίδια. Ο Πίνακας 1 δείχνει γενικό τιμές για μερικά υπερήχων διεργασίες.

πίεση

Το σημείο βρασμού ενός υγρού εξαρτάται από την πίεση. Όσο μεγαλύτερη είναι η πίεση τόσο υψηλότερο είναι το σημείο βρασμού και αντίστροφη. Η ανυψωμένη πίεση επιτρέπει σπηλαίωση σε θερμοκρασίες κοντά ή πάνω από το σημείο βρασμού. Αυξάνει επίσης την ένταση της έκρηξης, η οποία σχετίζεται με τη διαφορά μεταξύ της στατικής πίεσης και της πίεσης ατμών μέσα στη φούσκα (βλέπε Vercet et al., 1999). Δεδομένου ότι η ισχύς και η ένταση του υπερήχου αλλάζουν γρήγορα με μεταβολές της πίεσης, προτιμάται μια αντλία σταθερής πίεσης. Όταν τροφοδοτείται υγρό σε μια κυψέλη ροής, η αντλία πρέπει να είναι ικανή να χειρίζεται τη συγκεκριμένη ροή υγρού υπό κατάλληλες πιέσεις. Αντλίες διαφράγματος ή μεμβράνης. εύκαμπτοι σωλήνες, σωλήνες ή αντλίες συμπίεσης. περισταλτικές αντλίες. ή αντλία εμβόλου ή εμβόλου θα δημιουργήσει εναλλασσόμενες διακυμάνσεις πίεσης. Προτιμώνται οι φυγόκεντρες αντλίες, οι αντλίες με γρανάζια, οι σπειροειδείς αντλίες και οι αντλίες προοδευτικής κοιλότητας που τροφοδοτούν το υγρό που πρόκειται να υποστεί επεξεργασία με υπερήχους με σταθερή σταθερή πίεση. (Hielscher 2005)

θερμοκρασία

Με υπερήχηση ενός υγρού, η ισχύς μεταδίδεται εντός του μέσου. Όπως υπερηχητικά δημιουργείται ταλάντωση προκαλεί αναταράξεις και τριβή, την επεξεργασία με υπερήχους υγρό - σύμφωνα με το νόμο της θερμοδυναμικής – θα ζεσταθεί. Αυξημένες θερμοκρασίες του επεξεργασμένου μέσου μπορεί να είναι καταστροφικό για το υλικό και να μειώσει την αποτελεσματικότητα των υπερήχων σπηλαίωσης. Οι καινοτόμες κυψελίδες ροής υπερήχων εξοπλισμένο με ένα χιτώνιο ψύξης (βλέπε εικόνα). Με αυτό, δίνεται η ακριβής έλεγχο της θερμοκρασίας υλικού κατά τη διάρκεια της υπερηχητικής επεξεργασίας. Για την ποτήρι υπερήχηση των μικρότερων όγκων ένα λουτρό πάγου για διάχυση της θερμότητας συνιστάται.

Ιξώδες και συγκέντρωση

Υπερηχητικός άλεσμα και διασποράς είναι υγρές διεργασίες. Τα σωματίδια πρέπει να είναι σε ένα εναιώρημα, π.χ. σε νερό, λάδι, διαλύτες ή ρητίνες. Με τη χρήση υπερηχητικών συστημάτων ροής-διαμέσου, καθίσταται δυνατό να υποβάλλοντάς τα σε υπερήχους πολύ ιξώδες, ημίρρευστο υλικό.
Υψηλής ισχύος υπερήχων επεξεργαστής μπορεί να τρέξει σε αρκετά υψηλές συγκεντρώσεις στερεών. Μια υψηλή συγκέντρωση παρέχει την αποτελεσματικότητα των υπερήχων επεξεργασίας, όπως επίδραση υπερήχων άλεσμα προκαλείται από σύγκρουση μεταξύ των σωματιδίων. Έρευνες έχουν δείξει ότι το ποσοστό θραύση του διοξειδίου του πυριτίου είναι ανεξάρτητη από τη συγκέντρωση στερεών μέχρι 50% κατά βάρος. Η επεξεργασία των κύριων παρτίδων με αναλογία εξαιρετικά πυκνό υλικό είναι μια κοινή διαδικασία παραγωγής χρησιμοποιώντας υπερήχους.

Ισχύς και ένταση εναντίον Ενέργειας

ένταση επιφάνειας και συνολική ισχύ περιγράφουν μόνο την ένταση της επεξεργασίας. Η επεξεργασία με υπερήχους όγκου δείγματος και ο χρόνος έκθεσης σε ορισμένη ένταση πρέπει να θεωρηθούν για να περιγράψει μια διαδικασία επεξεργασίας με υπερήχους, προκειμένου να καταστεί επεκτάσιμο και αναπαραγώγιμη. Για μία δεδομένη διαμόρφωση παράμετρο το αποτέλεσμα της διαδικασίας, π.χ. μέγεθος σωματιδίου ή χημική μετατροπή, θα εξαρτάται από την ενέργεια ανά όγκο (E / V).

αποτέλεσμα = φά (μι / /V ),

Όταν η ενέργεια (Ε) είναι το προϊόν της εξόδου ισχύος (Ρ) και ο χρόνος της έκθεσης (t).

μι[Ws] = Π[W] *T[μικρό]

Αλλαγές στη ρύθμιση παραμέτρων θα αλλάξει τη λειτουργία του αποτελέσματος. Αυτό με τη σειρά θα μεταβάλλει την ποσότητα της ενέργειας (Ε) που απαιτείται για μια δεδομένη τιμή δείγματος (V) για να ληφθεί μια συγκεκριμένη τιμή αποτελέσματος. Για το λόγο αυτό δεν είναι αρκετό για να αναπτύξετε μια ορισμένη δύναμη των υπερήχων σε μια διαδικασία για να πάρει ένα αποτέλεσμα. Μια πιο σύνθετη προσέγγιση απαιτείται για την ταυτοποίηση της απαιτούμενης ισχύος και τη διαμόρφωση παραμέτρου στην οποία η ισχύς θα πρέπει να τεθούν μέσα στο υλικό διαδικασία. (Hielscher 2005)

Υπερήχους Υποβοηθούμενη παραγωγή βιοαιθανόλης

Είναι ήδη ξέρουν ότι το υπερηχογράφημα βελτιώνει την παραγωγή βιοαιθανόλης. Είναι συνιστάται να πυκνώσει το υγρό με τη βιομάζα σε ένα εξαιρετικά παχύρρευστο πολτό που εξακολουθεί να είναι αντλήσιμο. Υπερήχων αντιδραστήρες μπορεί να χειριστεί αρκετά υψηλές συγκεντρώσεις στερεών ούτως ώστε η διαδικασία επεξεργασίας με υπερήχους μπορεί να εκτελεστεί πιο αποτελεσματική. Το περισσότερο υλικό περιέχεται στην ιλύ, το λιγότερο υγρό φορέα, η οποία δεν θα επωφεληθούν από τη διαδικασία επεξεργασίας με υπερήχους, θα πρέπει να αντιμετωπίζονται. Δεδομένου ότι η εισροή ενέργειας σε ένα υγρό προκαλεί μια θέρμανση του υγρού από το νόμο της θερμοδυναμικής, αυτό σημαίνει ότι η υπερηχητική ενέργεια εφαρμόζεται στο υλικό-στόχο, στο μέτρο του δυνατού. Με μία τέτοια αποδοτική σχεδιασμός της διαδικασίας, μια σπάταλη θέρμανση της περίσσειας υγρού φορέα αποφεύγεται.
Υπερηχογράφημα βοηθά το Εξαγωγή του ενδοκυτταρικού υλικού και το καθιστά έτσι διαθέσιμες για την ενζυματική ζύμωση. Ήπια θεραπεία με υπερήχους μπορεί να ενισχύσει ενζυματική δράση, αλλά για την εκχύλιση βιομάζας θα απαιτείται πιο έντονη υπερήχων. Ως εκ τούτου, τα ένζυμα θα πρέπει να προστεθεί στον πολτό βιομάζα μετά την κατεργασία με υπερήχους όπως έντονη υπερήχων αδρανοποιεί τα ένζυμα, το οποίο είναι ένα όχι επιθυμητό αποτέλεσμα.

Τρέχουσα αποτελέσματα που επιτεύχθηκαν από την επιστημονική έρευνα:

Οι μελέτες των Yoswathana et al. (2010) σχετικά με την παραγωγή βιοαιθανόλης από άχυρο ρυζιού έχουν δείξει ότι ο συνδυασμός των οξέων προ-επεξεργασίας και υπερήχων πριν μολύβδου ενζυμική επεξεργασία σε αυξημένη απόδοση σε σάκχαρα μέχρι 44% (επί του ρυζιού βάση άχυρο). Αυτό δείχνει την αποτελεσματικότητα του συνδυασμού των φυσικών και χημικών προεπεξεργασία πριν από την ενζυματική υδρόλυση του lignocelluloses υλικού στη ζάχαρη.

Διάγραμμα 2 απεικονίζει τα θετικά αποτελέσματα της υπερηχητικής ακτινοβολίας κατά τη διάρκεια της παραγωγής βιοαιθανόλης από άχυρο ρυζιού γραφικά. (Charcoal έχει χρησιμοποιηθεί για να αποτοξινώσει τα προκατεργασμένα δείγματα από οξύ / ενζύμου προκατεργασίας και υπερήχων προκατεργασία.)

Σε μια άλλη πρόσφατη μελέτη, έχει εξεταστεί η επίδραση της υπερήχους επί της στην εξωκυτταρική και των ενδοκυτταρικών επιπέδων του ενζύμου β-γαλακτοσιδάσης. Sulaiman et αϊ. (2011) θα μπορούσε να βελτιώσει την παραγωγικότητα της παραγωγής βιοαιθανόλης ουσιαστικά, χρησιμοποιώντας υπερήχους σε μία ελεγχόμενη διέγερση της ανάπτυξης ζύμης του Kluyveromyces marxianus θερμοκρασίας (ATCC 46537). Οι συγγραφείς του χαρτιού συνεχίζει ότι διακεκομμένη ηχητική επεξεργασία με υπερήχους ισχύος (20 kHz) στους κύκλους λειτουργίας της ≤20% διεγείρεται παραγωγή βιομάζας, το μεταβολισμό της λακτόζης και της παραγωγής αιθανόλης σε Κ marxianus σε σχετικά υψηλή ένταση υπερήχηση των 11.8Wcm^-2. Κάτω από τις καλύτερες συνθήκες, κατεργασία με υπερήχους ενίσχυσε την τελική συγκέντρωση αιθανόλης από περίπου 3,5 φορές σε σχέση με τον έλεγχο. Αυτό αντιστοιχούσε σε ένα εξάρτημα 3.5-φορές στην παραγωγικότητα αιθανόλης, αλλά απαιτείται 952W πρόσθετων εισόδου ισχύος ανά κυβικό μέτρο του ζωμού μέσω κατεργασίας με υπερήχους. Αυτή η πρόσθετη απαίτηση για ενέργεια ήταν σίγουρα εντός αποδεκτών επιχειρησιακά πρότυπα για βιοαντιδραστήρες και, για προϊόντα υψηλής αξίας, θα μπορούσε εύκολα να αντισταθμίζεται από την αύξηση της παραγωγικότητας.

Συμπέρασμα: Τα οφέλη από υπερήχους-Assisted ζύμωση

θεραπεία υπερήχων έχει αποδειχθεί ως ένα αποτελεσματικό και καινοτόμο τεχνική για την ενίσχυση της απόδοσης βιοαιθανόλης. Κατά κύριο λόγο, υπέρηχος χρησιμοποιείται για την εξαγωγή ενδοκυτταρικό υλικό από βιομάζα, όπως το καλαμπόκι, η σόγια, άχυρο, λιγνινο-κυτταρινικό υλικό ή υλικά φυτικά απορρίμματα.

• Αύξηση σε απόδοση βιοαιθανόλης
• Disinteration / κυττάρων distruction και απελευθέρωση των ενδο-κυτταρικού υλικού
• Βελτιωμένη αναερόβια αποσύνθεση
• Η ενεργοποίηση των ενζύμων με ήπια κατεργασία με υπερήχους
• Βελτίωση της αποδοτικότητας της διαδικασίας από υψηλή πολτών συγκέντρωση

Η απλή δοκιμή, αναπαραγώγιμη κλίμακα-up και εύκολη εγκατάσταση (επίσης σε ήδη υπάρχοντα ρεύματα παραγωγής) καθιστά υπερήχων μια κερδοφόρα και αποδοτική τεχνολογία. Αξιόπιστη βιομηχανική υπερήχων επεξεργαστές για την εμπορική επεξεργασία είναι διαθέσιμη και να καταστεί δυνατή η παροχή ήχου σχεδόν απεριόριστες υγρό όγκους.