Bioetanooli tootmisel kasutatav ultraheli abiaine

Fermentatsioon

Fermentatsioon võib olla aeroobne (= oksüdatiivne fermentatsioon) või anaeroobne protsess, mida kasutatakse biotehnoloogilisteks rakendusteks, et orgaanilist ainet teisendada bakteriaalsete, seente või muude bioloogiliste rakukultuuride või ensüümide kaudu. Kääritamisel ekstraheeritakse energia orgaaniliste ühendite, nt süsivesikute oksüdeerumisest.

Suhkur on kõige sagedasem fermentatsioonipõhi, mis on saadud pärast fermentatsiooni sellistes toodetes nagu piimhape, laktoos, etanool ja vesinik. Alkoholsele kääritamisele etanool - eriti kasutamiseks kütusena, aga ka alkohoolsete jookide tarbeks – on toodetud kääritamise teel. Kui teatud pärmi tüved, näiteks Saccharomyces cerevisiae suhkru metabolism, pärmirakud muudavad lähtematerjali etanooliks ja süsinikdioksiidiks.

Allpool toodud keemilised võrrandid kajastavad konverteerimist:

Kui lähtematerjaliks on tärklist, näiteks maisist, tuleb kõigepealt tärklist suhkruks muuta. Kütuseks kasutatava bioetanooli puhul on vajalik tärklise muundamise hüdrolüüs. Tavaliselt kiirendatakse hüdrolüüsi happelise või ensümaatilise töötlemise või mõlema kombinatsiooniga. Tavaliselt toimub kääritamine ligikaudu 35-40 ° C juures.
Ülevaade erinevatest fermentatsiooniprotsessidest:

Toit:

• tootmine & Säilitamine
• piimapulber (piimhappe fermentatsioon), nt jogurt, petipiim, keefir
• piimhappega kääritatud köögiviljad, nt kimchi, miso, natto, tsukemono, hapukapsas
• aromaatsete ühendite, näiteks sojakastme arendamine
• parkimist parandavate ainete, nt tee, kakao, kohvi, tubaka lagunemine
• alkohoolsed joogid, nt õlu, vein, viski

Ravimid:

• meditsiiniliste ühendite, nt insuliini, hüaluroonhappe tootmine

Biogaas / etanool:

• biogaasi ja bioetanooli tootmise parandamine

Erinevad uurimistööd ja katsed pink-top ja piloot suurus on näidanud, et ultraheli parandab fermentatsiooniprotsessi, muutes ensüümide fermentatsiooniks kättesaadavaks rohkem biomassi. Järgmises osas kirjeldatakse ultraheli mõju vedelikus.

Ultraheli vedeliku töötlemise mõjud

Suure võimsusega / madala sagedusega ultraheli abil saab genereerida suuri amplituudeid. Sellega saab vedelike töötlemiseks kasutada suure võimsusega / madala sagedusega ultraheli, nagu segamine, emulgeerimine, hajutamine ja deagglomereerimine või jahvatamine.
Suure intensiivsusega vedelike sonicating korral põhjustavad vedelas keskkonnas levivad helilained vahelduvaid kõrgsurvelisi (madala rõhu) ja madala rõhu (eraldusvõime) tsüklit, kusjuures sagedus sõltub sagedusest. Madala rõhu tsükli ajal tekitavad suure intensiivsusega ultraheli lained vedelikus väikesed vaakummullid või tühjad ruumid. Kui mullid saavutavad mahtu, milles nad enam energiat neelavad, kerkivad nad kõrgsurvetsükli ajal ägedalt. Seda nähtust nimetatakse kavitatsiooniks. kavitatsioon, see on “mullide moodustumine, kasv ja implosivne kokkuvarisemine vedelikus. Cavitational kokkuvarisemine tekitab intensiivset kohalikku kütmist (~ 5000 K), kõrget rõhku (~ 1000 atm) ja tohutut kuumutamist ja jahutamist (>109 K / s)” ja vedelike jugavoogud (~ 400 km / h) ". (Suslick 1998)

Kavitatsiooni tekitamiseks on olemas erinevad vahendid, näiteks kõrgsurve düüsid, rootor-staatori mikserid või ultraheli protsessorid. Kõigis neis süsteemides muutub sisendenergia hõõrdumiseks, turbulentsiks, lainetuseks ja kavitatsiooniks. Kavitatsiooniks ümber kujundatud sisendenergia osa sõltub paljudest teguritest, mis kirjeldavad vedelikus olevate kavitatsioonivarustuse liikumist. Kiirendus intensiivsus on üks olulisemaid tegureid, mis mõjutavad energia tõhusat transformatsiooni kavitatsiooniks. Kõrgem kiirendus tekitab kõrgemaid rõhureostusi. See omakorda suurendab vedeliku kaudu levivate lainete loomise tõttu vaakummullide tekke tõenäosust. Seega, mida kõrgem on kiirendus, seda suurem on energia osakaal, mis muundub kavitatsiooniks.
Ultrahelianduri korral kirjeldatakse võnkumise amplituudi kiirenduse intensiivsust. Kõrgemad amplituudid toovad kaasa kavitatsiooni efektiivsema loomise. Lisaks intensiivsusele tuleb vedelikku kiirendada viisil, mis tekitaks minimaalseid kahjustusi turbulentside, hõõrdumise ja lainete tekke poolest. Selleks on optimaalne liikumine ühepoolne suund. Ultraheli töötlemise protsessi intensiivsuse ja parameetrite muutmine võib olla väga raske või väga pehme. See muudab ultraheliga väga mitmekülgse tööriista erinevateks rakendusteks.

Pehmed rakendused, kergete ultraheliga töötlemisega kergete tingimuste korral, hõlmavad ka degaseerimine, emulgeerivadja ensüümi aktiveerimine. Kõrge intensiivsusega / suure võimsusega ultrahelirakendused (enamasti kõrgendatud rõhu all) on rasked rakendused märg-freesimine, Deagglomeration & osakeste suuruse vähendamine ja hajutamine. Paljude rakenduste jaoks nagu kaevandamine, lagunemine või Sonokheemia, nõutav ultraheli intensiivsus sõltub konkreetsest materjalist, mida tuleb sonikeerida. Erinevate parameetritega, mida saab kohandada individuaalse protsessiga, võimaldab ultraheli tuvastada iga protsessi jaoks magus koht.
Lisaks suurepärasele võimsuse konversioonile pakub ultrasonication suurt eelist täieliku kontrolli üle kõige olulisemate parameetrite: amplituudi, rõhu, temperatuuri, viskoossuse ja kontsentratsiooni. See võimaldab neid kõiki parameetreid kohandada, et leida igale konkreetsele materjalile ideaalseid töötlemisparameetreid. See toob kaasa suurema efektiivsuse ja optimeeritud efektiivsuse.

Fermentatsiooniprotsesside parandamiseks kasutatav ultraheli selgitatakse näitlikult bioetanooli tootmiseks

Bioetanool on biomassi või biolagunevate ainete lagunemise produkt anaeroobsete või aeroobsete bakterite poolt. Toodetud etanooli kasutatakse peamiselt biokütusena. See muudab bioetanooli taastuvaks ja keskkonnasõbralikuks alternatiiviks fossiilkütustele, näiteks maagaasile.
Etanooli tootmiseks biomassist, toorainest võib kasutada suhkrut, tärklisi ja lignotselluloosset materjali. Tööstusliku tootmise suurus on praegu suhkru ja tärklise ülekaalus, kuna need on majanduslikult soodsad.
Kuidas ultraheli parandab kliendi individuaalset protsessi spetsiifilise lähteainega antud tingimustes, saab katsetada väga lihtsate teostatavusuuringute abil. Esimesel etapil töödeldakse ultraheliga väikese koguse toormaterjali suspensiooni laboriseade näitab, kui ultraheli mõjutab lähteainet.

Teostatavuse testimine

Esimeses katsetamisfaasis on sobilik suhteliselt palju ultraheli energia sisestada väikesesse vedelikuhulga, mistõttu suureneb võimalus, et saada mingeid tulemusi. Väike proovi maht lühendab ka laboratoorse seadme kasutamist ja vähendab esimeste katsete kulusid.
Ultraheli lained edastatakse sonotrode pinnale vedelikku. Beneth on sonotrode pind, ultraheli intensiivsus on kõige intensiivsem. Sellega eelistatakse lühikesi vahemaid sonotrode ja ultraheliga töödeldud materjali vahel. Väikese vedeliku mahu korral võib sonotrode kaugus olla lühike.
Alljärgnev tabel näitab tüüpilist energia- / helitugevust sonikeprotsesside jaoks pärast optimeerimist. Kuna esimesi katseid ei toimu optimaalses konfiguratsioonis, näitab ultrahelitöötlus intensiivsust ja aega 10 kuni 50 korda tüüpilisest väärtusest, kui see mõjutab sonicated materjali või mitte.

Protsess	Energia / maht	Proovi maht	Võimsus	aeg
Lihtne	< 100Ws / ml	10 ml	50W	< 20 sek
Keskmine	100 W / mL kuni 500 W / mL	10 ml	50W	20 kuni 100 sek
Raske	> 500Ws / ml	10 ml	50W	>100 sek

Tabel 1 – Tüüpilised ultrahelitöötlusväärtused pärast protsessi optimeerimist

Proovivõttude tegelikku võimsust saab salvestada integreeritud andmesalvestuse abil (Uf200 ः t ja UP200St), PC-liides või powermeter. Kombineerides amplituudi seadistuse ja temperatuuri salvestatud andmeid, saab iga katse tulemusi hinnata ja määrata energia / ruumi lõppjoont.
Kui testimise ajal on valitud optimaalne konfiguratsioon, siis saab seda konfiguratsiooni jõudlust optimeerimisetapi ajal kontrollida ja seda saab lõpuks suurendada kaubanduslikule tasemele. Optimeerimise hõlbustamiseks on väga soovitatav uurida ultraheliga töötlemise piire, nt temperatuuri, amplituudi või energia / ruumala spetsiifiliste koostiste jaoks. Kuna ultraheli võib tekitada negatiivseid mõjusid rakkudele, kemikaalidele või osakestele, tuleb iga parameetri kriitilist taset uurida, et piirata järgmise optimeerimise parameetrite vahemikku, kus negatiivseid mõjusid ei täheldata. Teostatavusuuringu puhul soovitatakse sellistes katsetes seadmete ja proovide kulude piiramiseks kasutada väikeseid labori- või pingilinke. Tavaliselt on 100 kuni 1000 vattiüksused väga hästi teostatavusuuringu eesmärgid. (vrd Hielscher 2005)

Optimeerimine

Teostatavusuuringute käigus saavutatud tulemused võivad näidata üsna suurt energiatarbimist väikestes kogustes. Kuid teostatavuskatse eesmärk on eelkõige näidata ultraheli mõju materjalile. Kui teostatavuse katsetamisel on positiivne mõju, tuleb energia / ruumala suhte optimeerimiseks teha täiendavaid jõupingutusi. See tähendab ultraheli parameetrite ideaalse konfiguratsiooni uurimist, et saavutada kõrgeim saagikus, kasutades selleks vähem energiat, mis muudab protsessi majanduslikult kõige mõistlikumaks ja tõhusamaks. Optimaalse parameetri konfiguratsiooni leidmine – minimaalse energiakuluga kavandatud hüvitiste saamine – korrelatsioon kõige olulisemate parameetrite ja amplituud, rõhk, temperatuur ja vedelik koostist tuleb uurida. Sellel teisel etapil on soovitav muuta partii ultrahelitöötlust pideva ultrahelitöötlusseadmega voolureaktori reaktoriga, kuna rõhu oluliseks parameetriks ei saa partiilise ultrahelitöötluse jaoks mõjutada. Partii ultrahelitöötluse ajal on rõhk piiratud ümbritseva rõhuga. Kui ultrahelitöötlusprotsess läbib survejõulise voolukambri kambrit, võib rõhk tõusta (või vähendada), mis üldiselt mõjutab ultraheli kavitatsioon drastiliselt. Voolukambri abil saab määrata rõhu ja protsessi efektiivsuse korrelatsiooni. Ultraheli protsessorid vahel 500 vatti ja 2000 vatti võimsusest kõige sobivam protsessi optimeerimiseks.

Kommertstootmise skaalal

Kui optimaalne konfiguratsioon on leitud, on edasine laienemine lihtne, sest ultraheli protsessid on täielikult reprodutseeritavad lineaarsel skaalal. See tähendab, et kui identse töötlemisparameetri konfiguratsiooniga identse vedela preparaadi puhul rakendatakse ultraheli, on vajalik sama energiahulk ruumala kohta, et saada töötlemise skaalast sõltumatu identne tulemus. (Hielscher 2005). See võimaldab rakendada ultraheli optimaalset parameetrite konfiguratsiooni täisskaala tootmismahu jaoks. Peaaegu on ruumala, mida saab töödelda ultraheliuvalt, piiramatu. Kaubanduslikud ultraheli süsteemid kuni 16 000 vatti ühiku kohta on saadaval ja neid saab paigaldada klastritesse. Selliseid ultraheliprotsessorite klastreid saab paigaldada paralleelselt või järjestikku. Kõrge võimsusega ultraheli protsessorite klastrite abil on kogu võimsus peaaegu piiramatu, nii et suuremahulisi voogusid saab töödelda ilma probleemita. Samuti, kui on vaja ultraheli süsteemi kohandamist, näiteks kohandada parameetreid modifitseeritud vedelale koostisele, saab seda enamasti teha sonotrode, revolutsiooni- või voolukambri muutmisega. Ultraheli lineaarsed mastaapsuse, reprodutseeritavuse ja kohanemisvõime muudavad selle uuendusliku tehnoloogia tõhususe ja tasuvuse.

Ultraheli töötlemise parameetrid

Ultraheli vedeliku töötlemist kirjeldatakse mitmete parameetritega. Kõige olulisemad on amplituud, rõhk, temperatuur, viskoossus ja kontsentratsioon. Protsessi tulemus, näiteks osakese suurus konkreetse parameetri konfiguratsiooni jaoks, sõltub energiast töödeldud mahu kohta. Funktsioon muutub üksikute parameetrite muutustega. Lisaks sellele sõltub ultraheliüksuse sonotrodi tegelik pinge tegelik väljundvõimsus parameetritest. Väljundvõimsus sonotrode pindalal on pinna intensiivsus (I). Pinna intensiivsus sõltub amplituudist (A), rõhust (p), reaktori ruumalast (VR), temperatuurist (T), viskoossusest (η) jt.

Kujutatud kasvatamise mõju sõltub pinna intensiivsusest. Samamoodi korreleerub protsessi tulemus. Ultraheliühiku koguvõimsus on pind intensiivsus (I) ja pindala (S):

P [W] Ma [W / mm²] * s[mm²]

amplituud

Põlemisjõu amplituud kirjeldab seda, kuidas (näiteks 50 um) sonotrodi pind teatud aja jooksul liigub (nt 1/20 000 s 20 kHz juures). Mida suurem on amplituud, seda suurem on kiirus, mille juures rõhk väheneb ja suureneb igal käigul. Lisaks sellele suureneb iga rabanduse maht, mille tulemusena suureneb kavitatsioonimaht (mullide suurus ja / või number). Dispersioonide korral on kõrgemad amplituudid tahkete osakestega võrreldes suuremad. Tabelis 1 on toodud mõningate ultraheliprotsesside üldised väärtused.

surve

Vedeliku keemistemperatuur sõltub rõhust. Mida kõrgem on rõhk, seda kõrgem on keemistemperatuur ja pöörata ümber. Kõrgenenud rõhk võimaldab kavitatsiooni temperatuuril keemispunkti lähedal või sellest kõrgemal. Samuti suurendab see implosiooni intensiivsust, mis on seotud staatilise rõhu ja aururõhu vahega mulliga (Vercet jt 1999). Kuna ultraheli võimsus ja intensiivsus muutuvad kiiresti rõhu muutustega, on eelistatav konstantse rõhu pump. Vedeliku tarnimisel voolukambrile peab pump olema suuteline töödeldama spetsiifilist vedeliku voolu sobival rõhul. Diafragma- või membraanipumbad; painduvad torud, voolikud või pigistatavad pumbad; peristaltilised pumbad; või kolb või kolbpump loob vahelduva rõhu kõikumise. Eelistatud on tsentrifugaalpumbad, käigupumbad, spiraalpumbad ja progressiivsed õõnsused, mis varustavad vedelikku, mida saab töödelda pidevalt stabiilsel rõhul. (Hielscher 2005)

temperatuur

Vedeliku eemaldamise teel edastatakse toidet keskkonda. Kuna ultraheliga genereeritud võnkumine põhjustab turbulentsi ja hõõrdumist, on ultraheliga töödeldud vedelik - vastavalt termodünaamika seadusele – soojeneb. Töödeldud materjali kõrgemad temperatuurid võivad materjali purustada ja vähendada ultraheli kavitatsiooni efektiivsust. Uuenduslikud ultraheli voolurakud on varustatud jahutussärgiga (vt pilti). Sellega antakse täpset kontrolli materjali temperatuuri üle ultraheliga töötlemise ajal. Keeduklaasist ultrahelitöötlus väiksemate koguste soovitatav on jäävann soojuse hajutamiseks.

Viskoossus ja kontsentratsioon

Ultraheli freesimine ja hajutamine on vedelad protsessid. Osakesed peavad olema suspensioonis, nt vees, õlis, lahustites või vaigudes. Ultraheli voolu läbivate süsteemide kasutamisel on võimalik väga viskoosset, püsikiirust sisaldavat materjali sonikeerida.
Suure võimsusega ultraheli protsessorit saab kasutada üsna kõrge tahkete ainete kontsentratsioonidega. Kõrge kontsentratsioon tagab ultraheli töötlemise efektiivsuse, kuna ultraheli jahvatamise mõju põhjustab osakeste kokkupõrge. Uuringud on näidanud, et ränidioksiidi purunemise kiirus ei sõltu tahkest kontsentratsioonist kuni 50% massist. Suure kontsentreeritud materjali suhtega master-partiide töötlemine on tavaline tootmisprotseduur ultrasonograafia abil.

Võimsus ja intensiivsus vs energia

Pinna intensiivsus ja koguvõimsus kirjeldavad ainult töötlemise intensiivsust. Töötlusprotsessi ultrahelitöötlusprotsessi kirjeldamiseks tuleb arvestada ultraheliga töödeldud proovi maht ja kokkupuute aeg teatud intensiivsusega, et muuta see mastaabitavaks ja reprodutseeritavaks. Teatud parameetrite konfiguratsioonide jaoks sõltub protsessi tulemus, näiteks osakeste suurus või keemiline muundumine, ruumala energia kohta (E / V).

Tulemus = f (E /V )

Kui energia (E) on väljundvõimsuse (P) ja kokkupuute aeg (t).

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

Muudatused parameetrite konfiguratsioonis muudavad tulemuste funktsiooni. See omakorda muudab konkreetse proovi väärtuse (V) jaoks vajalikku energiahulka (E) konkreetse tulemuse saamiseks. Sel põhjusel ei piisa ainult tulemuste saavutamiseks vajaliku ultraheli võimsuse rakendamisest. Vajalikku võimsust ja parameetri konfiguratsiooni kindlaksmääramiseks, milles toide protsessi materjalile pannakse, on vaja keerukamat lähenemist. (Hielscher 2005)

Bioetanooli ultraheli abiaine

On juba teada, et ultraheli parandab bioetanooli tootmist. Soovitav on paksendada vedelikku biomassi abil veelgi viskoosse pulbrina, mis on veel pumbatav. Ultraheli reaktorid suudavad suhteliselt suured tahked kontsentratsioonid töödelda, nii et ultrahelitöötlusprotsessi saab kasutada kõige tõhusamalt. Mida rohkem materjali sisaldub läga, seda vähem töödeldakse vähem kandev vedelik, mis ei toeta ultrahelitöötlusprotsessi. Kuna energia sisestamine vedelikus põhjustab termodünaamika seaduse järgi vedeliku kuumutamist, tähendab see seda, et ultraheli energia kantakse sihtmärgile nii palju kui võimalik. Sellise tõhusa tootmisprotsessi abil välditakse liigse kandjavedeliku raiskamist.
Ultraheli aitab kaevandamine rakusisest materjalist ja see võimaldab seeläbi ensümaatilist fermentatsiooni saada. Kerge ultraheliuuring võib suurendada ensümaatilist aktiivsust, kuid biomassi eraldamiseks on vaja intensiivsemat ultraheli. Seega tuleb pärast ultrahelitöötlust lisada biomassi suspensioonile ensüümid, kuna intensiivne ultraheli inaktiveerib ensüüme, mis pole soovitud efekt.

Teadusuuringutega saavutatud praegused tulemused:

Uuringud Yoswathana et al. (2010) bioetanooli tootmise kohta riisi õlgedest on näidanud, et happe eeltöötluse ja ultraheli kombinatsioon enne ensümaatilist töötlemist suurendab suhkru saagist kuni 44% (riisi põhu põhjal). See näitab füüsikalise ja keemilise eeltöötluse kombinatsiooni efektiivsust enne lignotselluloosi materjali suhkru ensümaatilist hüdrolüüsi.

Joonis 2 illustreerib ultraheli kiiritamise positiivset mõju bioetanooli tootmisel riisikõmmetest graafiliselt. (Süsi on kasutatud eelnevalt töödeldud proovide detoksikatsiooniks happe / ensüümi eeltöötluse ja ultraheli eeltöötluse abil.)

Ühes teises hiljutises uuringus on uuritud ultraheliuuringu mõju β-galaktosidaasi ensüümi rakuvälisele ja rakusisesele tasemele. Sulaiman jt (2011) võib oluliselt parandada bioetanooli tootmise produktiivsust, kasutades ultraheli kontrollitud temperatuuril, mis stimuleerib Kluyveromyces marxianus pärmseente kasvu (ATCC 46537). Dokumendi autorid jätkavad seda, et vahelduv ultraheliga ultraheli ultraheli (20 kHz) töötsükliga ≤20% stimuleerib biomassi tootmist, laktoosi metabolismi ja etanooli tootmist K. marxianus'is suhteliselt kõrge ultrakondesignaali intensiivsusega 11,8 W cm^-2. Parimate tingimuste korral suurendas ultraheliga töötlemine lõplikku etanooli kontsentratsiooni ligi 3,5 korda võrreldes kontrolliga. See vastas 3,5-kordsele etanooli tootlikkuse suurendamisele, kuid see vajab ultraviolettkiirguse abil pulbri kuupmeetri täiendavat võimsust 952W. See täiendav energiavajadus oli kindlasti bioreaktorite vastuvõetavate töönormide piires ning suure väärtusega toodete puhul oleks võimalik tootlikkust lihtsalt kompenseerida.

Järeldus: ultraheli-toetatava käärimisega kaasnevad eelised

Ultraheliravi on osutunud tõhusaks ja innovatiivseks meetodiks bioetanooli saagise suurendamiseks. Eelkõige kasutatakse ultraheli, et eraldada rakusisest materjali biomassist, näiteks maisi, sojaube, õled, lignotselluloosseid materjale või taimseid jäätmeid.

• Bioetanooli saagise suurenemine
• Intensiivistamine / rakkude eraldamine ja rakusisese materjali vabastamine
• Paranenud anaeroobne lagunemine
• Ensüümide aktiveerimine kerge ultrahelitöötluse abil
• Protsessi efektiivsuse parandamine kõrge kontsentratsiooniga lämmastikuga

Lihtne katsetamine, reprodutseeritav laiendamine ja lihtne paigaldamine (ka juba olemasolevate tootmisvoogude korral) muudab ultraheliuuringud kasulikuks ja tõhusaks tehnoloogiaks. Kaubandusliku töötlemise jaoks on kättesaadavad usaldusväärsed tööstuslikud ultraheli töötlejad ja need võimaldavad peaaegu piiramatute vedelate mahtude sonikeerimist.