Ζύμωση υποβοηθούμενη από υπερήχους για την παραγωγή βιοαιθανόλης

Η υποβοηθούμενη από υπερήχους ζύμωση μπορεί να ενισχύσει την παραγωγή βιοαιθανόλης, προάγοντας τη διάσπαση των σύνθετων υδατανθράκων σε απλούστερα σάκχαρα, καθιστώντας τα πιο άμεσα διαθέσιμα στις ζύμες για μετατροπή σε αιθανόλη. Παράλληλα, η κατεργασία με υπερήχους βελτιώνει επίσης την αποτελεσματικότητα της διαπερατότητας του κυτταρικού τοιχώματος των ζυμών, επιτρέποντας την ταχύτερη απελευθέρωση αιθανόλης και την αύξηση της συνολικής παραγωγής. Έτσι, η υποβοηθούμενη από υπερήχους ζύμωση για την παραγωγή βιοαιθανόλης οδηγεί σε υψηλότερους ρυθμούς μετατροπής και αυξημένες αποδόσεις.

Ζύμωση

Η ζύμωση μπορεί να είναι μια αερόβια (= οξειδωτική ζύμωση) ή αναερόβια διεργασία, η οποία χρησιμοποιείται σε βιοτεχνολογικές εφαρμογές για τη μετατροπή οργανικού υλικού μέσω καλλιεργειών βακτηριακών, μυκητιακών ή άλλων βιολογικών κυττάρων ή μέσω ενζύμων. Με τη ζύμωση, εξάγεται ενέργεια από την οξείδωση οργανικών ενώσεων, π.χ. υδατανθράκων.
Η ζάχαρη είναι το συνηθέστερο υπόστρωμα ζύμωσης, από την οποία προκύπτουν προϊόντα όπως γαλακτικό οξύ, λακτόζη, αιθανόλη και υδρογόνο. Στην αλκοολική ζύμωση, παράγεται μέσω ζύμωσης αιθανόλη – ειδικά για χρήση ως καύσιμο, αλλά και για αλκοολούχα ποτά. Όταν ορισμένα στελέχη ζυμών, όπως το Saccharomyces cerevisiae, μεταβολίζουν τη ζάχαρη, τα κύτταρα των ζυμών μετατρέπουν την αρχική ύλη σε αιθανόλη και διοξείδιο του άνθρακα.

Οι παρακάτω χημικές εξισώσεις συνοψίζουν τη μετατροπή:

Εάν η αρχική ύλη είναι άμυλο, π.χ. από καλαμπόκι, το άμυλο πρέπει πρώτα να μετατραπεί σε σάκχαρα. Για τη βιοαιθανόλη που χρησιμοποιείται ως καύσιμο, απαιτείται υδρόλυση για τη μετατροπή του αμύλου. Συνήθως, η υδρόλυση επιταχύνεται με όξινη ή ενζυμική κατεργασία ή με συνδυασμό και των δύο. Κανονικά, η ζύμωση πραγματοποιείται σε θερμοκρασία περίπου 35–40 °C.
Επισκόπηση διαφόρων διεργασιών ζύμωσης:

Τρόφιμα :

• παραγωγή & συντήρηση
• γαλακτοκομικά προϊόντα (γαλακτική ζύμωση), π.χ. γιαούρτι, βουτυρόγαλα, κεφίρ
• λαχανικά που έχουν υποστεί γαλακτική ζύμωση, π.χ. κίμτσι, μίσο, νάτο, τσουκεμόνο, ξινολάχανο
• ανάπτυξη αρωματικών ενώσεων, π.χ. σάλτσα σόγιας
• διάσπαση ταννικών ουσιών, π.χ. τσάι, κακάο, καφές, καπνός
• αλκοολούχα ποτά, π.χ. μπύρα, κρασί, ουίσκι

Φάρμακα :

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

Βιοαέριο/ Αιθανόλη :

• βελτίωση της παραγωγής βιοαερίου/ βιοαιθανόλης

Διάφορες ερευνητικές εργασίες και δοκιμές σε επιτραπέζια και πιλοτική κλίμακα έχουν δείξει ότι οι υπέρηχοι βελτιώνουν τη διεργασία ζύμωσης, καθιστώντας περισσότερη βιομάζα διαθέσιμη για την ενζυμική ζύμωση. Στην επόμενη ενότητα θα αναλυθούν οι επιδράσεις των υπερήχων σε ένα υγρό.

Επιδράσεις της κατεργασίας υγρών με υπερήχους

Με υπερήχους υψηλής ισχύος/ χαμηλής συχνότητας μπορούν να παραχθούν υψηλά πλάτη ταλάντωσης. Έτσι, οι υπέρηχοι υψηλής ισχύος/ χαμηλής συχνότητας μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κατεργασία υγρών, όπως ανάμειξη, γαλακτωματοποίηση, διασπορά και αποσυσσωμάτωση ή άλεση.
Κατά την κατεργασία υγρών με υπερήχους σε υψηλές εντάσεις, τα ηχητικά κύματα που διαδίδονται στα υγρά μέσα προκαλούν εναλλασσόμενους κύκλους υψηλής πίεσης (συμπίεσης) και χαμηλής πίεσης (αραίωσης), με ρυθμούς που εξαρτώνται από τη συχνότητα. Κατά τον κύκλο χαμηλής πίεσης, τα υπερηχητικά κύματα υψηλής έντασης δημιουργούν μικρές φυσαλίδες κενού ή κοιλότητες στο υγρό. Όταν οι φυσαλίδες αποκτήσουν όγκο στον οποίο δεν μπορούν πλέον να απορροφήσουν ενέργεια, καταρρέουν βίαια κατά τη διάρκεια ενός κύκλου υψηλής πίεσης. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται σπηλαίωση. Σπηλαίωση, δηλαδή “ο σχηματισμός, η ανάπτυξη και η κατάρρευση φυσαλίδων προς το εσωτερικό τους σε ένα υγρό. Η κατάρρευση λόγω σπηλαίωσης παράγει έντονη τοπική θέρμανση (~5000 K), υψηλές πιέσεις (~1000 atm) και τεράστιους ρυθμούς θέρμανσης και ψύξης (>109 K/sec)” και πίδακες υγρού (~400 km/h)”. (Suslick 1998)

Υπάρχουν διάφοροι τρόποι δημιουργίας σπηλαίωσης, όπως με ακροφύσια υψηλής πίεσης, αναμικτήρες ρότορα–στάτορα ή επεξεργαστές υπερήχων. Σε όλα αυτά τα συστήματα, η εισερχόμενη ενέργεια μετατρέπεται σε τριβή, στροβιλισμούς, κύματα και σπηλαίωση. Το κλάσμα της εισερχόμενης ενέργειας που μετατρέπεται σε σπηλαίωση εξαρτάται από διάφορους παράγοντες που περιγράφουν την κίνηση του εξοπλισμού δημιουργίας σπηλαίωσης μέσα στο υγρό. Η ένταση της επιτάχυνσης είναι ένας από τους σημαντικότερους παράγοντες που επηρεάζουν την αποδοτική μετατροπή της ενέργειας σε σπηλαίωση. Η μεγαλύτερη επιτάχυνση δημιουργεί μεγαλύτερες διαφορές πίεσης. Αυτό, με τη σειρά του, αυξάνει την πιθανότητα δημιουργίας φυσαλίδων κενού αντί για τη δημιουργία κυμάτων που διαδίδονται μέσα στο υγρό. Επομένως, όσο μεγαλύτερη είναι η επιτάχυνση, τόσο μεγαλύτερο είναι το κλάσμα της ενέργειας που μετατρέπεται σε σπηλαίωση.
Στην περίπτωση ενός μετατροπέα υπερήχων, το πλάτος ταλάντωσης περιγράφει την ένταση της επιτάχυνσης. Τα μεγαλύτερα πλάτη οδηγούν σε αποτελεσματικότερη δημιουργία σπηλαίωσης. Πέρα από την ένταση, το υγρό πρέπει να επιταχύνεται με τρόπο που να ελαχιστοποιεί τις απώλειες λόγω στροβιλισμών, τριβής και δημιουργίας κυμάτων. Για τον σκοπό αυτό, ο βέλτιστος τρόπος είναι η κίνηση προς μία κατεύθυνση. Με τη μεταβολή της έντασης και των παραμέτρων της κατεργασίας με υπερήχους, οι υπέρηχοι μπορούν να ασκούν πολύ ισχυρή ή πολύ ήπια δράση. Αυτό καθιστά τους υπερήχους ένα ιδιαίτερα ευέλικτο εργαλείο για διάφορες εφαρμογές.

Οι ήπιες εφαρμογές, στις οποίες εφαρμόζεται ήπια κατεργασία με υπερήχους υπό ήπιες συνθήκες, περιλαμβάνουν την απαέρωση, τη γαλακτωματοποίηση, και την ενεργοποίηση ενζύμων. Οι εφαρμογές ισχυρής δράσης με υπερήχους υψηλής έντασης/ υψηλής ισχύος (κυρίως υπό αυξημένη πίεση) είναι η υγρή άλεση, η αποσυσσωμάτωση & η μείωση του μεγέθους των σωματιδίων, και η διασπορά. Για πολλές εφαρμογές, όπως η εκχύλιση, η αποδιάρθρωση ή η υπερηχοχημεία, η απαιτούμενη ένταση υπερήχων εξαρτάται από το συγκεκριμένο υλικό που πρόκειται να υποβληθεί σε κατεργασία με υπερήχους. Χάρη στην ποικιλία των παραμέτρων που μπορούν να προσαρμοστούν στην εκάστοτε διεργασία, οι υπέρηχοι επιτρέπουν την εύρεση του βέλτιστου σημείου λειτουργίας για κάθε επιμέρους διεργασία.
Πέρα από την εξαιρετική μετατροπή ισχύος, η κατεργασία με υπερήχους προσφέρει το μεγάλο πλεονέκτημα του πλήρους ελέγχου των σημαντικότερων παραμέτρων: Πλάτος, Πίεση, Θερμοκρασία, Ιξώδες και Συγκέντρωση. Αυτό προσφέρει τη δυνατότητα ρύθμισης όλων αυτών των παραμέτρων με στόχο την εύρεση των ιδανικών παραμέτρων επεξεργασίας για κάθε συγκεκριμένο υλικό. Έτσι επιτυγχάνεται υψηλότερη αποτελεσματικότητα καθώς και βελτιστοποιημένη αποδοτικότητα.

Υπέρηχοι για τη βελτίωση των διεργασιών ζύμωσης, με επεξήγηση μέσω του παραδείγματος της παραγωγής βιοαιθανόλης

Η βιοαιθανόλη είναι προϊόν της αποσύνθεσης βιομάζας ή βιοαποδομήσιμης 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 έναντι των ορυκτών καυσίμων, όπως το φυσικό αέριο.
Για την παραγωγή αιθανόλης από βιομάζα, μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως πρώτη ύλη σάκχαρα, άμυλο και λιγνοκυτταρινούχο υλικό. Στην παραγωγή βιομηχανικής κλίμακας, τα σάκχαρα και το άμυλο κυριαρχούν σήμερα, καθώς είναι οικονομικά συμφέροντα.
Ο τρόπος με τον οποίο οι υπέρηχοι βελτιώνουν μια διεργασία προσαρμοσμένη στον εκάστοτε πελάτη, με συγκεκριμένη πρώτη ύλη και υπό δεδομένες συνθήκες, μπορεί να ελεγχθεί πολύ απλά με δοκιμές σκοπιμότητας. Ως πρώτο βήμα, η κατεργασία μιας μικρής ποσότητας του πολτού της πρώτης ύλης με μια εργαστηριακή συσκευή υπερήχων θα δείξει αν οι υπέρηχοι πράγματι επηρεάζουν την πρώτη ύλη.

Δοκιμές σκοπιμότητας

Στην πρώτη φάση των δοκιμών, ενδείκνυται η εισαγωγή σχετικά μεγάλης ποσότητας ενέργειας υπερήχων σε μικρό όγκο υγρού, καθώς έτσι αυξάνεται η πιθανότητα να διαπιστωθεί εάν μπορούν να επιτευχθούν αποτελέσματα. Ο μικρός όγκος δείγματος μειώνει επίσης τον χρόνο χρήσης μιας εργαστηριακής συσκευής και περιορίζει το κόστος των πρώτων δοκιμών.
Τα κύματα υπερήχων μεταδίδονται από την επιφάνεια του ηχοτροδίου στο υγρό. Κάτω από την επιφάνεια του ηχοτροδίου, η ένταση των υπερήχων είναι μέγιστη. Επομένως, προτιμώνται μικρές αποστάσεις μεταξύ του ηχοτροδίου και του υλικού που υποβάλλεται σε κατεργασία με υπερήχους. Όταν εκτίθεται μικρός όγκος υγρού, η απόσταση από το ηχοτρόδιο μπορεί να διατηρηθεί μικρή.
Ο παρακάτω πίνακας παρουσιάζει τυπικά επίπεδα ενέργειας/όγκου για διεργασίες κατεργασίας με υπερήχους μετά τη βελτιστοποίηση. Επειδή οι πρώτες δοκιμές δεν θα πραγματοποιηθούν με τη βέλτιστη διαμόρφωση, η ένταση και ο χρόνος κατεργασίας με υπερήχους σε επίπεδα 10 έως 50 φορές την τυπική τιμή θα δείξουν εάν υπάρχει ή όχι κάποια επίδραση στο υλικό που υποβάλλεται σε κατεργασία με υπερήχους.

Διεργασία	Ενέργεια/ Όγκος	Όγκος δείγματος	Ισχύς	Χρόνος
Απλή	< 100Ws/mL	10mL	50W	< 20 sec
Μέτρια	100Ws/mL έως 500Ws/mL	10mL	50W	20 έως 100 sec
Έντονη	> 500Ws/mL	10mL	50W	>100 sec

Πίνακας 1 – Τυπικές τιμές κατεργασίας με υπερήχους μετά τη βελτιστοποίηση της διεργασίας

Η πραγματική εισερχόμενη ισχύς κατά τις δοκιμές μπορεί να καταγραφεί μέσω ενσωματωμένης καταγραφής δεδομένων (UP200Ht και UP200St), διεπαφής υπολογιστή ή μετρητή ισχύος. Σε συνδυασμό με τα καταγεγραμμένα δεδομένα της ρύθμισης του πλάτους και της θερμοκρασίας, μπορούν να αξιολογηθούν τα αποτελέσματα κάθε δοκιμής και να καθοριστεί μια τιμή αναφοράς για την ενέργεια/όγκο.
Εάν κατά τις δοκιμές έχει επιλεγεί μια βέλτιστη διαμόρφωση, η απόδοσή της θα μπορούσε να επαληθευτεί κατά τη διάρκεια ενός σταδίου βελτιστοποίησης και, τελικά, να μεταφερθεί σε εμπορική κλίμακα. Για να διευκολυνθεί η βελτιστοποίηση, συνιστάται ιδιαίτερα να εξεταστούν επίσης τα όρια της κατεργασίας με υπερήχους, π.χ. η θερμοκρασία, το πλάτος ή η ενέργεια/όγκος για συγκεκριμένες συνθέσεις. Καθώς οι υπέρηχοι θα μπορούσαν να προκαλέσουν αρνητικές επιδράσεις σε κύτταρα, χημικές ουσίες ή σωματίδια, πρέπει να εξεταστούν τα κρίσιμα επίπεδα κάθε παραμέτρου, ώστε η επακόλουθη βελτιστοποίηση να περιοριστεί στο εύρος παραμέτρων όπου δεν παρατηρούνται αρνητικές επιδράσεις. Για τη μελέτη σκοπιμότητας συνιστώνται μικρές εργαστηριακές ή επιτραπέζιες μονάδες, ώστε να περιοριστούν οι δαπάνες για εξοπλισμό και δείγματα σε τέτοιες δοκιμές. Γενικά, οι μονάδες 100 έως 1.000 Watts εξυπηρετούν πολύ καλά τους σκοπούς της μελέτης σκοπιμότητας. (βλ. Hielscher 2005)

Βελτιστοποίηση

Τα αποτελέσματα που επιτυγχάνονται κατά τις μελέτες σκοπιμότητας ενδέχεται να δείχνουν αρκετά υψηλή κατανάλωση ενέργειας σε σχέση με τον μικρό όγκο που υποβάλλεται σε επεξεργασία. Ωστόσο, ο σκοπός της δοκιμής σκοπιμότητας είναι πρωτίστως να δείξει τις επιδράσεις των υπερήχων στο υλικό. Εάν κατά τη δοκιμή σκοπιμότητας προέκυψαν θετικές επιδράσεις, πρέπει να καταβληθούν περαιτέρω προσπάθειες για τη βελτιστοποίηση του λόγου ενέργειας/όγκου. Αυτό σημαίνει διερεύνηση της ιδανικής διαμόρφωσης των παραμέτρων υπερήχων, ώστε να επιτευχθεί η υψηλότερη απόδοση με τη μικρότερη δυνατή κατανάλωση ενέργειας και η διεργασία να καταστεί όσο το δυνατόν πιο οικονομικά συμφέρουσα και αποδοτική. Για να βρεθεί η βέλτιστη διαμόρφωση παραμέτρων – επιτυγχάνοντας τα επιδιωκόμενα οφέλη με ελάχιστη εισροή ενέργειας – η συσχέτιση μεταξύ των σημαντικότερων παραμέτρων του πλάτους, της πίεσης, της θερμοκρασίας και της σύστασης του υγρού πρέπει να διερευνηθεί. Σε αυτό το δεύτερο στάδιο συνιστάται η μετάβαση από την κατεργασία με υπερήχους κατά παρτίδες σε διάταξη συνεχούς κατεργασίας με υπερήχους με αντιδραστήρα κυψελίδας ροής, καθώς η σημαντική παράμετρος της πίεσης δεν μπορεί να επηρεαστεί στην κατεργασία με υπερήχους κατά παρτίδες. Κατά την κατεργασία με υπερήχους μιας παρτίδας, η πίεση περιορίζεται στην πίεση περιβάλλοντος. Εάν η διεργασία κατεργασίας με υπερήχους πραγματοποιείται σε θάλαμο κυψελίδας ροής που μπορεί να τεθεί υπό πίεση, η πίεση μπορεί να αυξηθεί (ή να μειωθεί), γεγονός που γενικά επηρεάζει τη σπηλαίωση που προκαλείται από τους υπερήχους σε δραστικό βαθμό. Με τη χρήση κυψελίδας ροής, μπορεί να προσδιοριστεί η συσχέτιση μεταξύ πίεσης και αποδοτικότητας της διεργασίας. Οι επεξεργαστές υπερήχων με ισχύ από 500 watts έως 2000 watts είναι οι καταλληλότεροι για τη βελτιστοποίηση μιας διεργασίας.

Αύξηση κλίμακας για εμπορική παραγωγή

Εάν έχει βρεθεί η βέλτιστη διαμόρφωση, η περαιτέρω αύξηση της κλίμακας είναι απλή, καθώς οι διεργασίες υπερήχων είναι πλήρως αναπαραγώγιμες με γραμμική κλιμάκωση. Αυτό σημαίνει ότι, όταν εφαρμόζονται υπέρηχοι σε πανομοιότυπη υγρή σύνθεση με πανομοιότυπη διαμόρφωση των παραμέτρων επεξεργασίας, απαιτείται η ίδια ενέργεια ανά μονάδα όγκου για να επιτευχθεί πανομοιότυπο αποτέλεσμα, ανεξάρτητα από την κλίμακα επεξεργασίας. (Hielscher 2005). Αυτό καθιστά δυνατή την εφαρμογή της βέλτιστης διαμόρφωσης των παραμέτρων υπερήχων στην πλήρη κλίμακα παραγωγής. Πρακτικά, ο όγκος που μπορεί να υποβληθεί σε επεξεργασία με υπερήχους είναι απεριόριστος. Διατίθενται εμπορικά συστήματα υπερήχων με ισχύ έως 16.000 watts ανά μονάδα, τα οποία μπορούν να εγκατασταθούν σε συστοιχίες. Τέτοιες συστοιχίες επεξεργαστών υπερήχων μπορούν να εγκατασταθούν παράλληλα ή σε σειρά. Με την εγκατάσταση επεξεργαστών υπερήχων υψηλής ισχύος σε συστοιχίες, η συνολική ισχύς είναι σχεδόν απεριόριστη, ώστε να μπορούν να υποβάλλονται σε επεξεργασία ρεύματα μεγάλου όγκου χωρίς πρόβλημα. Επίσης, εάν απαιτείται προσαρμογή του συστήματος υπερήχων, π.χ. για την προσαρμογή των παραμέτρων σε μια τροποποιημένη υγρή σύνθεση, αυτό μπορεί συνήθως να γίνει με αλλαγή του ηχοτροδίου, του ενισχυτή πλάτους ή της κυψελίδας ροής. Η δυνατότητα γραμμικής κλιμάκωσης, η αναπαραγωγιμότητα και η προσαρμοστικότητα των υπερήχων καθιστούν αυτή την καινοτόμο τεχνολογία αποδοτική και οικονομικά συμφέρουσα.

Παράμετροι επεξεργασίας με υπερήχους

Η επεξεργασία υγρών με υπερήχους περιγράφεται από διάφορες παραμέτρους. Οι σημαντικότερες είναι το πλάτος, η πίεση, η θερμοκρασία, το ιξώδες και η συγκέντρωση. Το αποτέλεσμα της διεργασίας, όπως το μέγεθος των σωματιδίων, για μια δεδομένη διαμόρφωση παραμέτρων είναι συνάρτηση της ενέργειας ανά μονάδα επεξεργαζόμενου όγκου. Η συνάρτηση αλλάζει με τις μεταβολές των επιμέρους παραμέτρων. Επιπλέον, η πραγματική αποδιδόμενη ισχύς ανά μονάδα επιφάνειας του ηχοτροδίου μιας μονάδας υπερήχων εξαρτάται από τις παραμέτρους. Η αποδιδόμενη ισχύς ανά μονάδα επιφάνειας του ηχοτροδίου είναι η επιφανειακή ένταση (I). Η επιφανειακή ένταση εξαρτάται από το πλάτος (A), την πίεση (p), τον όγκο του αντιδραστήρα (VR), τη θερμοκρασία (T), το ιξώδες (η) και άλλες παραμέτρους.

Η επίδραση της παραγόμενης σπηλαίωσης εξαρτάται από την επιφανειακή ένταση. Με τον ίδιο τρόπο συσχετίζεται και το αποτέλεσμα της διεργασίας. Η συνολική αποδιδόμενη ισχύς μιας μονάδας υπερήχων είναι το γινόμενο της επιφανειακής έντασης (I) και του εμβαδού της επιφάνειας (S):

P [W] I [W / mm²]* S[mm²]

Πλάτος

Το πλάτος ταλάντωσης περιγράφει τη διαδρομή (π.χ. 50 µm) που διανύει η επιφάνεια του ηχοτροδίου 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 παλινδρομική κίνηση. Επιπλέον, η μετατόπιση όγκου σε κάθε παλινδρομική κίνηση αυξάνεται, με αποτέλεσμα μεγαλύτερο όγκο σπηλαίωσης (μέγεθος ή/και αριθμός φυσαλίδων). Όταν εφαρμόζονται σε διασπορές, τα υψηλότερα πλάτη εμφανίζουν μεγαλύτερη καταστρεπτική δράση στα στερεά σωματίδια. Ο Πίνακας 1 παρουσιάζει γενικές τιμές για ορισμένες διεργασίες υπερήχων.

Πίεση

Το σημείο βρασμού ενός υγρού εξαρτάται από την πίεση. Όσο υψηλότερη είναι η πίεση, τόσο υψηλότερο είναι το σημείο βρασμού, και αντιστρόφως. Η αυξημένη πίεση επιτρέπει τη σπηλαίωση σε θερμοκρασίες κοντά ή πάνω από το σημείο βρασμού. Αυξάνει επίσης την ένταση της ενδόρρηξης, η οποία σχετίζεται με τη διαφορά μεταξύ της στατικής πίεσης και της πίεσης ατμών στο εσωτερικό της φυσαλίδας (πρβλ. Vercet et al. 1999). Καθώς η ισχύς και η ένταση των υπερήχων μεταβάλλονται γρήγορα με τις μεταβολές της πίεσης, προτιμάται μια αντλία σταθερής πίεσης. Κατά την τροφοδοσία υγρού σε μια κυψελίδα ροής, η αντλία θα πρέπει να μπορεί να διαχειριστεί τη συγκεκριμένη ροή υγρού στις κατάλληλες πιέσεις. Οι αντλίες διαφράγματος ή μεμβράνης, οι αντλίες εύκαμπτου σωλήνα, ελαστικού σωλήνα ή συμπίεσης, οι περισταλτικές αντλίες και οι αντλίες εμβόλου ή βυθιζόμενου εμβόλου δημιουργούν εναλλασσόμενες διακυμάνσεις πίεσης. Προτιμώνται οι φυγοκεντρικές αντλίες, οι γραναζωτές αντλίες, οι σπειροειδείς αντλίες και οι αντλίες προοδευτικής κοιλότητας, οι οποίες τροφοδοτούν το προς κατεργασία με υπερήχους υγρό σε διαρκώς σταθερή πίεση. (Hielscher 2005)

Θερμοκρασία

Κατά την κατεργασία ενός υγρού με υπερήχους, μεταδίδεται ισχύς στο μέσο. Καθώς η ταλάντωση που παράγεται με υπερήχους προκαλεί τύρβη και τριβή, το υγρό που υποβάλλεται σε κατεργασία με υπερήχους – σύμφωνα με τον νόμο της θερμοδυναμικής – θερμαίνεται. Οι αυξημένες θερμοκρασίες του υπό επεξεργασία μέσου μπορεί να είναι καταστροφικές για το υλικό και να μειώνουν την αποτελεσματικότητα της σπηλαίωσης με υπερήχους. Οι καινοτόμες κυψελίδες ροής υπερήχων διαθέτουν μανδύα ψύξης (βλ. εικόνα). Έτσι εξασφαλίζεται ο ακριβής έλεγχος της θερμοκρασίας του υλικού κατά την επεξεργασία με υπερήχους. Για την κατεργασία μικρότερων όγκων με υπερήχους σε ποτήρι ζέσεως, συνιστάται παγόλουτρο για την απαγωγή της θερμότητας.

Ιξώδες και συγκέντρωση

Η άλεση με υπερήχους και η διασπορά με υπερήχους είναι διεργασίες σε υγρό μέσο. Τα σωματίδια πρέπει να βρίσκονται σε εναιώρημα, π.χ. σε νερό, έλαιο, διαλύτες ή ρητίνες. Με τη χρήση συστημάτων υπερήχων συνεχούς ροής, καθίσταται δυνατή η κατεργασία πολύ ιξωδών, παστώδων υλικών με υπερήχους.
Ένας επεξεργαστής υπερήχων υψηλής ισχύος μπορεί να λειτουργεί σε αρκετά υψηλές συγκεντρώσεις στερεών. Η υψηλή συγκέντρωση εξασφαλίζει την αποτελεσματικότητα της επεξεργασίας με υπερήχους, καθώς η δράση άλεσης των υπερήχων προκαλείται από τις συγκρούσεις μεταξύ των σωματιδίων. Έρευνες έχουν δείξει ότι ο ρυθμός θραύσης του διοξειδίου του πυριτίου είναι ανεξάρτητος από τη συγκέντρωση στερεών έως και 50% κατά βάρος. Η επεξεργασία μητρικών μειγμάτων με υψηλή αναλογία συμπυκνωμένου υλικού αποτελεί συνήθη διαδικασία παραγωγής με χρήση κατεργασίας με υπερήχους.

Ισχύς και ένταση έναντι ενέργειας

Η επιφανειακή ένταση και η συνολική ισχύς περιγράφουν μόνο την ένταση της επεξεργασίας. Ο όγκος του δείγματος που υποβάλλεται σε κατεργασία με υπερήχους και ο χρόνος έκθεσης σε συγκεκριμένη ένταση πρέπει να λαμβάνονται υπόψη για την περιγραφή μιας διεργασίας κατεργασίας με υπερήχους, ώστε να καταστεί δυνατή η αύξηση της κλίμακάς της και η αναπαραγωγή της. Για μια δεδομένη διαμόρφωση παραμέτρων, το αποτέλεσμα της διεργασίας, π.χ. το μέγεθος των σωματιδίων ή η χημική μετατροπή, εξαρτάται από την ενέργεια ανά μονάδα όγκου (E/V).

Αποτέλεσμα = f (E /V )

Όπου η ενέργεια (E) είναι το γινόμενο της ισχύος εξόδου (P) επί τον χρόνο έκθεσης (t).

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

Οι αλλαγές στη διαμόρφωση των παραμέτρων μεταβάλλουν τη συνάρτηση του αποτελέσματος. Αυτό, με τη σειρά του, μεταβάλλει την ποσότητα ενέργειας (E) που απαιτείται για μια δεδομένη τιμή δείγματος (V), ώστε να επιτευχθεί μια συγκεκριμένη τιμή αποτελέσματος. Για τον λόγο αυτό, δεν αρκεί η εφαρμογή συγκεκριμένης ισχύος υπερήχων σε μια διεργασία για να επιτευχθεί ένα αποτέλεσμα. Απαιτείται μια πιο σύνθετη προσέγγιση για τον προσδιορισμό της απαιτούμενης ισχύος και της διαμόρφωσης των παραμέτρων με την οποία η ισχύς θα πρέπει να διοχετεύεται στο υλικό της διεργασίας. (Hielscher 2005)

Παραγωγή βιοαιθανόλης υποβοηθούμενη με υπερήχους

Είναι ήδη γνωστό ότι οι υπέρηχοι βελτιώνουν την παραγωγή βιοαιθανόλης. Συνιστάται η πύκνωση του υγρού με βιομάζα ώστε να σχηματιστεί ένας πολτός υψηλού ιξώδους που εξακολουθεί να μπορεί να αντληθεί. Οι αντιδραστήρες υπερήχων μπορούν να διαχειριστούν αρκετά υψηλές συγκεντρώσεις στερεών, ώστε η κατεργασία με υπερήχους να μπορεί να πραγματοποιηθεί με τη μέγιστη αποδοτικότητα. Όσο περισσότερο υλικό περιέχεται στον πολτό, τόσο λιγότερο υγρό φορέα, το οποίο δεν ωφελείται από την κατεργασία με υπερήχους, υποβάλλεται σε επεξεργασία. Καθώς η εισαγωγή ενέργειας σε ένα υγρό προκαλεί τη θέρμανσή του σύμφωνα με τον νόμο της θερμοδυναμικής, αυτό σημαίνει ότι η ενέργεια των υπερήχων εφαρμόζεται στο υλικό στόχο στον μέγιστο δυνατό βαθμό. Με έναν τέτοιο αποδοτικό σχεδιασμό της διεργασίας, αποφεύγεται η άσκοπη θέρμανση της περίσσειας υγρού φορέα.
Οι υπέρηχοι υποβοηθούν την εκχύλιση του ενδοκυτταρικού υλικού και το καθιστούν έτσι διαθέσιμο για την ενζυμική ζύμωση. Η ήπια κατεργασία με υπερήχους μπορεί να ενισχύσει την ενζυμική δραστικότητα, αλλά για την εκχύλιση της βιομάζας απαιτούνται εντονότεροι υπέρηχοι. Επομένως, τα ένζυμα θα πρέπει να προστίθενται στον πολτό βιομάζας μετά την κατεργασία με υπερήχους, καθώς οι έντονοι υπέρηχοι αδρανοποιούν τα ένζυμα, γεγονός που αποτελεί ανεπιθύμητη επίδραση.

Τρέχοντα αποτελέσματα της επιστημονικής έρευνας:

Οι μελέτες των Yoswathana et al. (2010) σχετικά με την παραγωγή βιοαιθανόλης από άχυρο ρυζιού έδειξαν ότι ο συνδυασμός όξινης προκατεργασίας και κατεργασίας με υπερήχους πριν από την ενζυμική κατεργασία οδηγεί σε αυξημένη απόδοση σακχάρων έως και 44% (με βάση το άχυρο ρυζιού). Αυτό δείχνει την αποτελεσματικότητα του συνδυασμού φυσικής και χημικής προκατεργασίας πριν από την ενζυμική υδρόλυση του λιγνοκυτταρινούχου υλικού σε σάκχαρα. 

Το Διάγραμμα 2 απεικονίζει γραφικά τις θετικές επιδράσεις της υπερηχητικής ακτινοβόλησης κατά την παραγωγή βιοαιθανόλης από άχυρο ρυζιού. (Χρησιμοποιήθηκε ξυλάνθρακας για την αποτοξίνωση των δειγμάτων που είχαν υποβληθεί σε όξινη/ενζυμική προκατεργασία και σε προκατεργασία με υπερήχους.)

Σε μια άλλη πρόσφατη μελέτη, εξετάστηκε η επίδραση της κατεργασίας με υπερήχους στα εξωκυτταρικά και ενδοκυτταρικά επίπεδα του ενζύμου β-γαλακτοσιδάσης. Οι Sulaiman et al. (2011) κατάφεραν να βελτιώσουν σημαντικά την παραγωγικότητα της παραγωγής βιοαιθανόλης, χρησιμοποιώντας υπερήχους σε ελεγχόμενη θερμοκρασία που διέγειραν την ανάπτυξη της ζύμης Kluyveromyces marxianus (ATCC 46537). Οι συγγραφείς της εργασίας συνοψίζουν ότι η διαλείπουσα κατεργασία με υπερήχους ισχύος (20 kHz), με κύκλους λειτουργίας ≤20%, διέγειρε την παραγωγή βιομάζας, τον μεταβολισμό της λακτόζης και την παραγωγή αιθανόλης στην K. marxianus, σε σχετικά υψηλή ένταση κατεργασίας με υπερήχους 11,8Wcm². Υπό τις καλύτερες συνθήκες, η κατεργασία με υπερήχους αύξησε την τελική συγκέντρωση αιθανόλης σε σχεδόν 3,5 φορές εκείνη του μάρτυρα. Αυτό αντιστοιχούσε σε αύξηση της παραγωγικότητας αιθανόλης κατά συντελεστή 3,5, αλλά απαιτούσε πρόσθετη εισαγωγή ισχύος 952W ανά κυβικό μέτρο ζωμού μέσω της κατεργασίας με υπερήχους. Αυτή η πρόσθετη απαίτηση ενέργειας βρισκόταν ασφαλώς εντός των αποδεκτών λειτουργικών ορίων για τους βιοαντιδραστήρες και, για προϊόντα υψηλής αξίας, μπορούσε εύκολα να αντισταθμιστεί από την αυξημένη παραγωγικότητα.

Συμπέρασμα: Οφέλη από τη ζύμωση με υποβοήθηση υπερήχων

Η κατεργασία με υπερήχους έχει αποδειχθεί αποδοτική και καινοτόμος τεχνική για την ενίσχυση της απόδοσης βιοαιθανόλης. Οι υπέρηχοι χρησιμοποιούνται κυρίως για την εκχύλιση ενδοκυτταρικού υλικού από βιομάζα, όπως καλαμπόκι, σόγια, άχυρο, λιγνοκυτταρινούχο υλικό ή φυτικά απόβλητα.

• Αύξηση της απόδοσης βιοαιθανόλης
• Αποσάθρωση/ Καταστροφή κυττάρων και απελευθέρωση ενδοκυτταρικού υλικού
• Βελτιωμένη αναερόβια αποσύνθεση
• Ενεργοποίηση ενζύμων με ήπια κατεργασία με υπερήχους
• Βελτίωση της αποδοτικότητας της διεργασίας με πολτούς υψηλής συγκέντρωσης

Οι απλές δοκιμές, η αναπαραγώγιμη αύξηση κλίμακας και η εύκολη εγκατάσταση (ακόμη και σε ήδη υπάρχουσες ροές παραγωγής) καθιστούν την τεχνολογία υπερήχων κερδοφόρα και αποδοτική. Διατίθενται αξιόπιστοι βιομηχανικοί επεξεργαστές υπερήχων για επεξεργασία σε εμπορική κλίμακα, οι οποίοι καθιστούν δυνατή την κατεργασία πρακτικά απεριόριστων όγκων υγρών με υπερήχους.