Ultraheli abil kääritamine bioetanooli tootmiseks

Ultraheli abil kääritamine võib suurendada bioetanooli tootmist, soodustades komplekssete süsivesikute lagunemist lihtsamateks suhkruteks, muutes need pärmi jaoks kergemini kättesaadavaks, et muutuda etanooliks. Samal ajal parandab ultrahelitöötlus ka pärmi rakuseina läbilaskvuse efektiivsust, võimaldades kiiremat etanooli vabanemist ja üldise tootmise suurenemist. Seega põhjustab ultraheli abil bioetanooli kääritamine kõrgemaid konversioonimäärasid ja suuremat saagist.

käärimine

Fermentatsioon võib olla aeroobne (= oksüdatiivne fermentatsioon) või anaeroobne protsess, mida kasutatakse biotehnoloogilistes rakendustes orgaanilise materjali muundamiseks bakteri-, seen- või muude bioloogiliste rakukultuuride või ensüümide abil. Kääritamisel ekstraheeritakse energiat orgaaniliste ühendite, nt süsivesikute oksüdeerimisel.
Suhkur on kõige tavalisem kääritamise substraat, mis saadakse pärast kääritamist sellistes toodetes nagu piimhape, laktoos, etanool ja vesinik. Alkohoolse kääritamise jaoks etanool - eriti kütusena kasutamiseks, aga ka alkohoolsete jookide jaoks – toodetakse kääritamise teel. Kui teatavad pärmitüved, näiteks Saccharomyces cerevisiae Metaboliseerige suhkrut, pärmirakud muudavad lähtematerjali etanooliks ja süsinikdioksiidiks.

Allpool toodud keemilised võrrandid võtavad konversiooni kokku:

Kui lähteaineks on tärklis, nt maisist, tuleb tärklis kõigepealt muuta suhkruks. Kütusena kasutatava bioetanooli puhul on vajalik tärklise muundamiseks vajalik hüdrolüüs. Tavaliselt kiirendatakse hüdrolüüsi happelise või ensümaatilise töötlemisega või mõlema kombinatsiooniga. Tavaliselt toimub käärimine umbes 35–40 °C juures.
Ülevaade erinevatest käärimisprotsessidest:

Toit:

• tootmine & Säilitamine
• piimatooted (piimhappega käärimine), nt jogurt, petipiim, keefir
• piimhappebakteriga kääritatud köögiviljad, nt kimchi, miso, natto, tsukemono, hapukapsas
• aromaatsete ainete, nt sojakastme väljatöötamine
• parkainete, nt tee, kakao, kohv, tubakas lagunemine
• alkohoolsed joogid, nt õlu, vein, viski

Narkootikumide:

• meditsiiniliste ühendite, nt insuliini, hüaluroonhappe tootmine

Biogaas/ etanool:

• biogaasi / bioetanooli tootmise parandamine

Erinevad uurimistööd ja testid pink-top ja pilootsuuruses on näidanud, et ultraheli parandab fermentatsiooniprotsessi, muutes ensümaatilise fermentatsiooni jaoks kättesaadavaks rohkem biomassi. Järgmises osas töötatakse välja ultraheli mõju vedelikus.

Ultraheli vedeliku töötlemise mõju

Suure võimsusega / madala sagedusega ultraheli abil saab genereerida kõrgeid amplituudi. Seega saab suure võimsusega / madala sagedusega ultraheli kasutada vedelike töötlemiseks, näiteks segamiseks, emulgeerimiseks, hajutamiseks ja deagglomeratsiooniks või jahvatamiseks.
Suure intensiivsusega vedelike ultraheliga töötlemisel põhjustavad vedelasse keskkonda levivad helilained vahelduvaid kõrgsurve (kokkusurumine) ja madala rõhuga (haruldane) tsükleid, mille kiirused sõltuvad sagedusest. Madala rõhu tsükli ajal tekitavad suure intensiivsusega ultraheli lained vedelikus väikesed vaakummullid või tühimikud. Kui mullid saavutavad mahu, mille juures nad ei suuda enam energiat absorbeerida, varisevad nad kõrgsurvetsükli ajal ägedalt kokku. Seda nähtust nimetatakse kavitatsiooniks. KavitatsioonSee on “mullide moodustumine, kasv ja implosiivne kokkuvarisemine vedelikus. Kavitatsiooniline kollaps tekitab intensiivset kohalikku kuumutamist (~ 5000 K), kõrget rõhku (~ 1000 atm) ning tohutuid kütte- ja jahutuskiirusi (>109 K/sek)” ja vedelad jugavoolud (~400 km/h)". (Suslick 1998)

Kavitatsiooni loomiseks on erinevaid vahendeid, näiteks kõrgsurve düüside, rootor-staatori segistite või ultraheli protsessorite abil. Kõigis neis süsteemides muundatakse sisendenergia hõõrdumiseks, turbulentsiks, laineteks ja kavitatsiooniks. Kavitatsiooniks muunduva sisendenergia osa sõltub mitmest tegurist, mis kirjeldavad kavitatsiooni tekitavate seadmete liikumist vedelikus. Kiirenduse intensiivsus on üks olulisemaid tegureid, mis mõjutavad energia tõhusat muundamist kavitatsiooniks. Suurem kiirendus tekitab suuremaid rõhuerinevusi. See omakorda suurendab vaakummullide tekkimise tõenäosust vedeliku kaudu levivate lainete loomise asemel. Seega, mida suurem on kiirendus, seda suurem on energia osa, mis muundatakse kavitatsiooniks.
Ultrahelianduri korral kirjeldab võnkumise amplituud kiirenduse intensiivsust. Suuremad amplituudid toovad kaasa kavitatsiooni tõhusama loomise. Lisaks intensiivsusele tuleks vedelikku kiirendada viisil, mis tekitaks minimaalseid kadusid turbulentsi, hõõrdumise ja lainete tekke osas. Selleks on optimaalne viis ühepoolne liikumissuund. Ultrahelitöötluse protsessi intensiivsuse ja parameetrite muutmine võib ultraheli olla väga kõva või väga pehme. See muudab ultraheli väga mitmekülgseks vahendiks erinevate rakenduste jaoks.

Pehmed rakendused, mis rakendavad kerget ultrahelitöötlust kergetes tingimustes, hõlmavad järgmist: degaseerimine, Emulgeerimineja ensüümide aktiveerimine. Suure intensiivsusega / suure võimsusega ultraheli (enamasti kõrgendatud rõhu all) kõvad rakendused on Märgjahvatus, deagglomeratsioon & osakeste suuruse vähendamine ja Hajutamine. Paljude rakenduste jaoks, näiteks Kaevandamine, lagunemine või Sonochemistry, sõltub taotletud ultraheli intensiivsus konkreetsest ultraheliga töödeldavast materjalist. Erinevate parameetrite järgi, mida saab kohandada individuaalse protsessiga, võimaldab ultraheli leida iga üksiku protsessi jaoks magusa koha.
Lisaks silmapaistvale võimsuse muundamisele pakub ultraheliuuring suurt eelist täieliku kontrolli üle kõige olulisemate parameetrite üle: amplituud, rõhk, temperatuur, viskoossus ja kontsentratsioon. See pakub võimalust kohandada kõiki neid parameetreid eesmärgiga leida iga konkreetse materjali jaoks ideaalsed töötlemisparameetrid. Selle tulemuseks on nii suurem tõhusus kui ka optimeeritud tõhusus.

Ultraheli fermentatsiooniprotsesside parandamiseks, mida selgitatakse eeskujulikult bioetanooli tootmisega

Bioetanool on biomassi või jäätmete biolaguneva aine lagunemise saadus anaeroobsete või aeroobsete bakterite poolt. Toodetud etanooli kasutatakse peamiselt biokütusena. See muudab bioetanooli taastuvaks ja keskkonnasõbralikuks alternatiiviks fossiilkütustele, näiteks maagaasile.
Etanooli tootmiseks biomassist võib lähteainena kasutada suhkrut, tärklist ja lignotselluloosset materjali. Tööstusliku tootmise suuruse puhul on praegu ülekaalus suhkur ja tärklis, kuna need on majanduslikult soodsad.
Kuidas ultraheli parandab kliendi individuaalset protsessi konkreetsete lähteainetega antud tingimustes, saab teostatavustestide abil proovida väga lihtsalt. Esimesel sammul, väikese koguse tooraine läga ultraheliga töötlemine ultraheliga laboratoorne seade näitab, kui ultraheli mõjutab lähteainet.

Teostatavuse katsetamine

Esimeses testimisfaasis on sobiv viia suhteliselt suur kogus ultraheli energiat väikese koguse vedelikku, kuna seeläbi suureneb võimalus näha, kas tulemusi on võimalik saada. Väike proovimaht lühendab ka laboriseadme kasutamise aega ja vähendab esimeste testide kulusid.
Ultraheli lained edastatakse sonotrode pinnalt vedelikku. Beneth sonotrode pind, ultraheli intensiivsus on kõige intensiivsem. Seega on eelistatud lühikesed vahemaad sonotrode ja ultrahelitöötlusega materjali vahel. Väikese vedeliku mahu kokkupuutel võib kaugust sonotrode'ist hoida lühikesena.
Allolevas tabelis on näidatud ultrahelitöötluse protsesside tüüpilised energia / helitugevuse tasemed pärast optimeerimist. Kuna esimesed katsed ei toimu optimaalsel konfiguratsioonil, näitab ultrahelitöötluse intensiivsus ja aeg 10 kuni 50 korda tüüpilisest väärtusest, kas ultraheliga töödeldud materjalile on mingit mõju või mitte.

Protsess	Energia/ ruumala	Proovi maht	Võimsus	Aeg
lihtne	< 100Ws/ml	10 ml	50W	< 20 sekundit
Keskmine	100Ws/ml kuni 500Ws/ml	10 ml	50W	20 kuni 100 sekundit
Kõva	> 500Ws/ml	10 ml	50W	>100 sekundit

Tabel 1 – Tüüpilised ultrahelitöötluse väärtused pärast protsessi optimeerimist

Katsesõitude tegeliku sisendvõimsuse saab salvestada integreeritud andmesalvestuse abil (UP200Ht ja UP200St), PC-liidese või võimsusmõõturi abil. Koos amplituudi seadistuse ja temperatuuri salvestatud andmetega saab hinnata iga katse tulemusi ja määrata kindlaks energia/mahu alumine rida.
Kui testide käigus on valitud optimaalne konfiguratsioon, saab seda konfiguratsiooni jõudlust optimeerimisetapi ajal kontrollida ja seda saab lõpuks kaubanduslikule tasemele skaleerida. Optimeerimise hõlbustamiseks on väga soovitatav uurida ultrahelitöötluse piire, nt temperatuur, amplituud või energia / maht ka konkreetsete preparaatide puhul. Kuna ultraheli võib tekitada rakkudele, kemikaalidele või osakestele negatiivset mõju, tuleb uurida iga parameetri kriitilisi tasemeid, et piirata järgmist optimeerimist parameetrite vahemikuga, kus negatiivseid mõjusid ei täheldata. Teostatavusuuringu jaoks on soovitatav kasutada väikeseid labori- või stendiseadmeid, et piirata sellistes katsetes seadmete ja proovide kulusid. Üldiselt täidavad 100–1,000 vatti ühikud teostatavusuuringu eesmärke väga hästi. (vrd Hielscher 2005)

Optimeerimine

Teostatavusuuringute käigus saadud tulemused võivad näidata üsna suurt energiatarbimist seoses väikese töötlemismahuga. Kuid teostatavuskatse eesmärk on eelkõige näidata ultraheli mõju materjalile. Kui teostatavuskatsetel ilmnes positiivne mõju, tuleb teha täiendavaid jõupingutusi energia ja mahu suhte optimeerimiseks. See tähendab ultraheli parameetrite ideaalse konfiguratsiooni uurimist, et saavutada kõrgeim saagikus, kasutades vähem energiat, et muuta protsess majanduslikult kõige mõistlikumaks ja tõhusamaks. Optimaalse parameetri konfiguratsiooni leidmiseks tehke järgmist. – kavandatud kasu saamine minimaalse energiasisendiga – korrelatsioon kõige olulisemate parameetrite vahel amplituud, rõhk, temperatuur ja vedelik koostist tuleb uurida. Selles teises etapis on soovitatav muuta partii ultrahelitöötlust pidevaks ultrahelitöötluse seadistamiseks vooluraku reaktoriga, kuna olulist rõhuparameetrit ei saa partii ultrahelitöötluse jaoks mõjutada. Partii ultrahelitöötluse ajal on rõhk piiratud ümbritseva õhu rõhuga. Kui ultrahelitöötlusprotsess läbib survestatava voolu rakukambri, võib rõhk olla kõrgendatud (või vähendatud), mis üldiselt mõjutab ultraheli Kavitatsioon Drastiliselt. Vooluelemendi abil saab määrata korrelatsiooni rõhu ja protsessi efektiivsuse vahel. Ultraheli protsessorid vahel 500 vatti ja 2000 vatti võimsusest on protsessi optimeerimiseks kõige sobivamad.

Laienemine kaubanduslikule tootmisele

Kui optimaalne konfiguratsioon on leitud, on edasine suurendamine lihtne, kuna ultraheli protsessid on täielikult reprodutseeritav lineaarsel skaalal. See tähendab, et kui ultraheli rakendatakse identsele vedelale preparaadile identse töötlemisparameetri konfiguratsiooni all, on vaja sama energiat mahu kohta, et saada identne tulemus, mis ei sõltu töötlemise ulatusest. (Hielscher 2005). See võimaldab rakendada ultraheli optimaalset parameetrite konfiguratsiooni täismahus tootmise suurusele. Praktiliselt on ultraheliga töödeldav maht piiramatu. Kaubanduslikud ultraheli süsteemid kuni 16 000 vatti ühiku kohta on saadaval ja seda saab paigaldada klastritesse. Selliseid ultraheli protsessorite klastreid saab paigaldada paralleelselt või järjestikku. Suure võimsusega ultraheli protsessorite klastripõhise paigaldamisega on koguvõimsus peaaegu piiramatu, nii et suure mahuga vooge saab probleemideta töödelda. Samuti, kui on vaja ultraheli süsteemi kohandamist, nt parameetrite kohandamiseks modifitseeritud vedelale preparaadile, saab seda enamasti teha sonotrode, võimendus- või vooluelemendi muutmisega. Ultraheli lineaarne mastaapsus, reprodutseeritavus ja kohandatavus muudavad selle uuendusliku tehnoloogia tõhusaks ja kulutõhusaks.

Ultraheli töötlemise parameetrid

Ultraheli vedeliku töötlemist kirjeldavad mitmed parameetrid. Kõige olulisemad on amplituud, rõhk, temperatuur, viskoossus ja kontsentratsioon. Protsessi tulemus, näiteks osakeste suurus, antud parameetri konfiguratsiooni puhul on energia funktsioon töödeldud mahu kohta. Funktsioon muutub üksikute parameetrite muutustega. Lisaks sõltub ultraheliüksuse sonotrode pindala tegelik väljundvõimsus parameetritest. Sonotrode pindala kohta väljundvõimsus on pinna intensiivsus (I). Pinna intensiivsus sõltub amplituudist (A), rõhust (p), reaktori mahust (VR), temperatuurist (T), viskoossusest (η) ja teistest.

Tekkinud kavitatsiooni mõju sõltub pinna intensiivsusest. Samamoodi korreleerub protsessi tulemus. Ultraheliüksuse koguvõimsus on pinna intensiivsuse (I) ja pindala (S) tulemus:

p [w] mina [w / Mm²]* s[Mm²]

Amplituud

Võnkumise amplituud kirjeldab sonotrode pinna liikumist teatud aja jooksul (nt 1/20 000s 20kHz juures). Mida suurem on amplituud, seda suurem on kiirus, millega rõhk langeb ja suureneb igal käigul. Lisaks sellele suureneb iga löögi mahu nihkumine, mille tulemuseks on suurem kavitatsioonimaht (mullide suurus ja / või arv). Dispersioonidele rakendamisel näitavad kõrgemad amplituudid tahkete osakeste suuremat destruktiivsust. Tabelis 1 on näidatud mõnede ultraheli protsesside üldised väärtused.

rõhk

Vedeliku keemistemperatuur sõltub rõhust. Mida kõrgem on rõhk, seda kõrgem on keemistemperatuur ja vastupidine. Kõrgendatud rõhk võimaldab kavitatsiooni keemistemperatuuri lähedal või sellest kõrgemal temperatuuril. Samuti suurendab see implosiooni intensiivsust, mis on seotud staatilise rõhu ja mullis oleva aururõhu erinevusega (vrd Vercet et al. 1999). Kuna ultraheli võimsus ja intensiivsus muutuvad rõhu muutustega kiiresti, on eelistatav konstantse rõhuga pump. Vedeliku suunamisel voolukambrisse peab pump suutma käsitleda konkreetset vedelikuvoolu sobiva rõhu all. Diafragma- või membraanpumbad; painduva toru, vooliku või pigistamispumbad; peristaltilised pumbad; või kolvi- või kolvipump tekitab vahelduvaid rõhukõikumisi. Eelistatud on tsentrifugaalpumbad, hammasrataspumbad, spiraalpumbad ja progresseeruvad õõnsuspumbad, mis varustavad ultraheliga töödeldavat vedelikku pidevalt stabiilsel rõhul. (Hielscher 2005)

temperatuur

Vedeliku ultraheliga töötlemisel edastatakse võimsus söötmesse. Kuna ultraheli genereeritud võnkumine põhjustab turbulentsi ja hõõrdumist, ultraheliga töödeldud vedelik – vastavalt termodünaamika seadusele – kuumeneb. Töödeldud söötme kõrgendatud temperatuur võib olla materjalile hävitav ja vähendada ultraheli kavitatsiooni efektiivsust. Uuenduslikud ultraheli voolurakud on varustatud jahutussärgiga (vt pilti). Sellega antakse täpne kontroll materjali temperatuuri üle ultraheli töötlemise ajal. Väiksemate mahtude keeduklaasi ultrahelitöötluseks on soovitatav soojuse hajutamiseks jäävann.

Viskoossus ja kontsentratsioon

Ultraheli Freesimine ja Hajutamine on vedelad protsessid. Osakesed peavad olema suspensioonis, nt vees, õlis, lahustites või vaikudes. Ultraheli läbivoolusüsteemide abil on võimalik sonikeerida väga viskoosset, pastataolist materjali.
Suure võimsusega ultraheli protsessorit saab käivitada üsna kõrgetel tahkete ainete kontsentratsioonidel. Kõrge kontsentratsioon tagab ultraheli töötlemise efektiivsuse, kuna ultraheli freesimise efekt on põhjustatud osakestevahelisest kokkupõrkest. Uuringud on näidanud, et ränidioksiidi purunemiskiirus ei sõltu tahkest kontsentratsioonist kuni 50 massiprotsenti. Väga kontsentreeritud materjali suhtega põhipartiide töötlemine on tavaline tootmisprotseduur, kasutades ultraheli.

Võimsus ja intensiivsus vs energia

Pinna intensiivsus ja koguvõimsus kirjeldavad ainult töötlemise intensiivsust. Ultraheliga töödeldud proovi mahtu ja kokkupuute aega teatud intensiivsusega tuleb pidada ultrahelitöötluse protsessi kirjeldamiseks, et muuta see skaleeritavaks ja reprodutseeritavaks. Antud parameetri konfiguratsiooni puhul sõltub protsessi tulemus, nt osakeste suurus või keemiline muundamine, energiast ruumala kohta (E/V).

Tulemus = F (E /V )

kus energia (E) on väljundvõimsuse (P) ja kokkupuuteaja (t) korrutis.

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

Parameetri konfiguratsiooni muudatused muudavad tulemuse funktsiooni. See omakorda muudab energia kogust (E), mis on vajalik antud proovi väärtuse (V) saamiseks konkreetse tulemuse väärtuse saamiseks. Sel põhjusel ei piisa tulemuse saamiseks teatud ultraheli võimsuse kasutamisest protsessile. Vajaliku võimsuse ja parameetri konfiguratsiooni kindlakstegemiseks, mille juures võimsus tuleks protsessimaterjali panna, on vaja keerukamat lähenemist. (Hielscher 2005)

Bioetanooli ultraheli abil tootmine

On juba teada, et ultraheli parandab bioetanooli tootmist. Vedelikku on soovitatav paksendada biomassiga väga viskoosseks lägaks, mis on endiselt pumbatav. Ultraheli reaktorid saavad hakkama üsna kõrgete tahkete kontsentratsioonidega, nii et ultrahelitöötlusprotsessi saab käivitada kõige tõhusamalt. Mida rohkem materjali läga sisaldab, seda vähem töödeldakse kandja vedelikku, mis ei saa ultrahelitöötlusprotsessist kasu. Kuna energia sisestamine vedelikku põhjustab vedeliku kuumutamist termodünaamika seadusega, tähendab see, et ultraheli energiat rakendatakse sihtmaterjalile nii palju kui võimalik. Sellise tõhusa protsessikonstruktsiooniga välditakse liigse kandevedeliku raiskamist.
Ultraheli aitab Kaevandamine rakusisesest materjalist ja muudab selle ensümaatiliseks kääritamiseks kättesaadavaks. Kerge ultraheliravi võib suurendada ensümaatilist aktiivsust, kuid biomassi ekstraheerimiseks on vaja intensiivsemat ultraheli. Seega tuleks ensüümid lisada biomassi läga pärast ultrahelitöötlust, kuna intensiivne ultraheli inaktiveerib ensüüme, mis ei ole soovitud efekt.

Teadusuuringute praegused tulemused:

(2010) uuringud, mis käsitlevad riisiõledest bioetanooli tootmist, on näidanud, et happe eeltöötluse ja ultraheli kombinatsioon enne ensümaatilist töötlemist suurendab suhkru saagist kuni 44% (riisiõlede alusel). See näitab füüsikalise ja keemilise eeltöötluse kombinatsiooni efektiivsust enne lignotselluloosi materjali ensümaatilist hüdrolüüsi suhkruks.

Joonis 2 illustreerib ultraheli kiirituse positiivset mõju bioetanooli tootmise ajal riisiõledest graafiliselt. (Sütt on kasutatud eeltöödeldud proovide detoksifitseerimiseks happe / ensüümi eeltöötlusest ja ultraheli eeltöötlusest.)

Teises hiljutises uuringus on uuritud ultraheli mõju β-galaktosidaasi ensüümi ekstratsellulaarsele ja rakusisesele tasemele. (2011) võib oluliselt parandada bioetanooli tootmise tootlikkust, kasutades ultraheli kontrollitud temperatuuril, stimuleerides Kluyveromyces marxianuse (ATCC 46537) pärmi kasvu. Töö autorid jätkavad, et vahelduv ultrahelitöötlus võimsuse ultraheliga (20 kHz) töötsüklites ≤20% stimuleeris biomassi tootmist, laktoosi ainevahetust ja etanooli tootmist K. marxianuses suhteliselt kõrge ultrahelitöötluse intensiivsusega 11,8Wcm⁻². Parimatel tingimustel suurendas ultrahelitöötlus lõplikku etanooli kontsentratsiooni peaaegu 3, 5 korda võrreldes kontrolliga. See vastas etanooli tootlikkuse 3, 5-kordsele suurenemisele, kuid nõudis ultrahelitöötluse kaudu 952W täiendavat võimsust puljongi kuupmeetri kohta. See täiendav energiavajadus oli kindlasti bioreaktorite jaoks vastuvõetavate ekspluatatsiooninormide piires ja kõrge väärtusega toodete puhul oli seda lihtne kompenseerida suurenenud tootlikkusega.

Järeldus: ultraheli abil toimuva kääritamise eelised

Ultraheliravi on näidatud tõhusa ja uuendusliku tehnikana bioetanooli saagise suurendamiseks. Peamiselt kasutatakse ultraheli rakusisese materjali ekstraheerimiseks biomassist, nagu mais, sojaoad, õled, lignotselluloosmaterjal või taimsed jäätmed.

• Bioetanooli saagise suurenemine
• Disinteratsioon / rakkude hävitamine ja rakusisese materjali vabanemine
• Parem anaeroobne lagunemine
• Ensüümide aktiveerimine kerge ultrahelitöötlusega
• Protsessi tõhususe parandamine suure kontsentratsiooniga läga abil

Lihtne testimine, reprodutseeritav skaala ja lihtne paigaldamine (ka juba olemasolevates tootmisvoogudes) muudab ultraheli kasumlikuks ja tõhusaks tehnoloogiaks. Saadaval on usaldusväärsed tööstuslikud ultraheli protsessorid kaubanduslikuks töötlemiseks ja võimaldavad sonikeerida praktiliselt piiramatut vedeliku mahtu.