تخمیر به کمک فراصوت برای تولید بیواتانول

تخمیر به کمک فراصوت می‌تواند با تسهیل تجزیهٔ کربوهیدرات‌های پیچیده به قندهای ساده‌تر، تولید بیواتانول را افزایش دهد و این قندها را برای تبدیل به اتانول بیشتر در دسترس مخمر قرار دهد. هم‌زمان، فراصوت‌دهی کارایی نفوذپذیری دیوارهٔ سلولی مخمر را نیز بهبود می‌بخشد و موجب آزادسازی سریع‌تر اتانول و افزایش تولید کلی می‌شود. در نتیجه، تخمیر بیواتانول به کمک فراصوت به نرخ‌های تبدیل بالاتر و بازده بیشتر می‌انجامد.

تخمیر

تخمیر می‌تواند فرایندی هوازی (= تخمیر اکسیداتیو) یا بی‌هوازی باشد که در کاربردهای زیست‌فناوری برای تبدیل مواد آلی به‌وسیلهٔ کشت سلول‌های باکتریایی، قارچی یا دیگر سلول‌های زیستی، یا به‌وسیلهٔ آنزیم‌ها به کار می‌رود. در تخمیر، انرژی از اکسیداسیون ترکیبات آلی، مانند کربوهیدرات‌ها، استخراج می‌شود.
قند رایج‌ترین سوبسترای تخمیر است که پس از تخمیر، محصولاتی مانند اسید لاکتیک، لاکتوز، اتانول و هیدروژن ایجاد می‌کند. در تخمیر الکلی، اتانول – به‌ویژه برای استفاده به‌عنوان سوخت، و نیز برای نوشیدنی‌های الکلی – از طریق تخمیر تولید می‌شود. هنگامی که سویه‌های خاصی از مخمر، مانند Saccharomyces cerevisiae قند را متابولیزه می‌کنند، سلول‌های مخمر مادهٔ اولیه را به اتانول و دی‌اکسید کربن تبدیل می‌کنند.

معادلات شیمیایی زیر این تبدیل را خلاصه می‌کنند:

اگر مادهٔ اولیه نشاسته باشد، برای مثال نشاستهٔ ذرت، ابتدا باید نشاسته به قند تبدیل شود. برای بیواتانولی که به‌عنوان سوخت استفاده می‌شود، هیدرولیز برای تبدیل نشاسته ضروری است. معمولاً هیدرولیز با تیمار اسیدی یا آنزیمی، یا ترکیبی از هر دو، تسریع می‌شود. تخمیر معمولاً در دمای حدود 35–40 °C انجام می‌شود.
مروری بر فرایندهای مختلف تخمیر:

مواد غذایی:

• تولید & نگهداری
• لبنیات (تخمیر اسید لاکتیک)، مانند ماست، پس‌آب کره و کفیر
• سبزیجات تخمیرشده با تخمیر لاکتیکی، مانند کیمچی، میسو، ناتو، تسوکمونو و کلم‌ترش
• ایجاد ترکیبات معطر، برای مثال در سس سویا
• تجزیهٔ مواد دباغی‌کننده، برای مثال در چای، کاکائو، قهوه و تنباکو
• نوشیدنی‌های الکلی، مانند آبجو، شراب و ویسکی

داروها:

• تولید ترکیبات دارویی، مانند انسولین و اسید هیالورونیک

بیوگاز/ اتانول:

• بهبود تولید بیوگاز/ بیواتانول

مقالات پژوهشی مختلف و آزمایش‌های انجام‌شده در مقیاس رومیزی و پایلوت نشان داده‌اند که فراصوت با در دسترس قرار دادن زیست‌تودهٔ بیشتر برای تخمیر آنزیمی، فرایند تخمیر را بهبود می‌بخشد. در بخش بعدی، اثرات فراصوت در مایع به‌تفصیل بررسی می‌شود.

اثرات پردازش فراصوتی مایعات

با فراصوت پرتوان/ کم‌فرکانس می‌توان دامنه‌های بالایی ایجاد کرد. ازاین‌رو، فراصوت پرتوان/ کم‌فرکانس را می‌توان برای پردازش مایعات، از جمله اختلاط، امولسیون‌سازی، پراکنده‌سازی و کلوخه‌زدایی، یا آسیاب‌کردن به کار برد.
هنگام فراصوت‌دهی مایعات با شدت‌های بالا، امواج صوتی منتشرشونده در محیط مایع، چرخه‌های متناوب پرفشار (تراکم) و کم‌فشار (انبساط) ایجاد می‌کنند که نرخ تکرار آن‌ها به فرکانس بستگی دارد. در چرخهٔ کم‌فشار، امواج فراصوتی پرشدت، حباب‌های خلأ کوچک یا حفره‌هایی در مایع ایجاد می‌کنند. وقتی حباب‌ها به حجمی می‌رسند که دیگر قادر به جذب انرژی نیستند، در یک چرخهٔ پرفشار به‌شدت فرومی‌پاشند. این پدیده کاویتاسیون نام دارد. کاویتاسیون، یعنی «تشکیل، رشد و فروپاشی انفجاری به درونِ حباب‌ها در مایع. فروپاشی کاویتاسیونی، گرمایش موضعی شدید (~5000 K)، فشارهای بالا (~1000 atm) و نرخ‌های بسیار بالای گرم‌شدن و سردشدن (>109 K/sec)» و جریان‌های جتی مایع (~400 km/h) ایجاد می‌کند. (Suslick 1998)

روش‌های مختلفی برای ایجاد کاویتاسیون وجود دارد، مانند استفاده از نازل‌های پرفشار، مخلوط‌کن‌های روتور–استاتور یا پردازشگرهای فراصوتی. در همهٔ این سامانه‌ها، انرژی ورودی به اصطکاک، آشفتگی، امواج و کاویتاسیون تبدیل می‌شود. سهم انرژی ورودی که به کاویتاسیون تبدیل می‌شود به چندین عامل بستگی دارد که حرکت تجهیزات مولد کاویتاسیون در مایع را توصیف می‌کنند. بزرگی شتاب یکی از مهم‌ترین عوامل مؤثر بر تبدیل کارآمد انرژی به کاویتاسیون است. شتاب بالاتر، اختلاف فشار بیشتری ایجاد می‌کند. این امر به‌نوبهٔ خود احتمال ایجاد حباب‌های خلأ را به‌جای ایجاد امواج منتشرشونده در مایع افزایش می‌دهد. بنابراین، هرچه شتاب بیشتر باشد، سهم انرژی تبدیل‌شده به کاویتاسیون نیز بیشتر است.
در مبدل فراصوتی، دامنهٔ نوسان بیانگر بزرگی شتاب است. دامنه‌های بالاتر به ایجاد مؤثرتر کاویتاسیون می‌انجامند. افزون بر بزرگی شتاب، مایع باید به‌گونه‌ای شتاب بگیرد که اتلاف ناشی از آشفتگی، اصطکاک و تولید موج به حداقل برسد. برای این منظور، حرکت در یک جهت بهینه است. با تغییر شدت و پارامترهای فرایند فراصوت‌دهی، فراصوت می‌تواند بسیار شدید یا بسیار ملایم باشد. این ویژگی، فراصوت را به ابزاری بسیار چندمنظوره برای کاربردهای گوناگون تبدیل می‌کند.

کاربردهای ملایم که در آن‌ها فراصوت‌دهی ملایم در شرایط ملایم اعمال می‌شود، شامل گاززدایی, امولسیون‌سازی، و فعال‌سازی آنزیم‌ها هستند. کاربردهای شدید با فراصوت پرشدت/ پرتوان (عمدتاً تحت فشار بالا) عبارت‌اند از آسیاب‌کاری تر, کلوخه‌زدایی و کاهش اندازهٔ ذرات، و پراکنده‌سازی. در بسیاری از کاربردها مانند استخراج، فروپاشی یا سونوشیمی، شدت فراصوت موردنیاز به مادهٔ مشخصی بستگی دارد که قرار است فراصوت‌دهی شود. تنوع پارامترهایی که می‌توان آن‌ها را با هر فرایند تطبیق داد، امکان یافتن نقطهٔ بهینه برای هر فرایند را با فراصوت فراهم می‌کند.
فراصوت‌دهی، علاوه بر تبدیل توان بسیار مطلوب، مزیت مهم کنترل کامل بر مهم‌ترین پارامترها را فراهم می‌کند: دامنه، فشار، دما، گرانروی و غلظت. به این ترتیب می‌توان همهٔ این پارامترها را با هدف یافتن پارامترهای پردازش ایدئال برای هر مادهٔ مشخص تنظیم کرد. این امر به اثربخشی بیشتر و نیز کارایی بهینه می‌انجامد.

فراصوت برای بهبود فرایندهای تخمیر، با تشریح نمونهٔ تولید بیواتانول

بیواتانول محصول تجزیهٔ زیست‌توده یا مواد زیست‌تخریب‌پذیرِ پسماند به‌وسیلهٔ باکتری‌های بی‌هوازی یا هوازی است. اتانول تولیدشده عمدتاً به‌عنوان سوخت زیستی استفاده می‌شود. این ویژگی، بیواتانول را به جایگزینی تجدیدپذیر و سازگار با محیط‌زیست برای سوخت‌های فسیلی، مانند گاز طبیعی، تبدیل می‌کند.
برای تولید اتانول از زیست‌توده، می‌توان از قند، نشاسته و مواد لیگنوسلولزی به‌عنوان خوراک استفاده کرد. در مقیاس تولید صنعتی، در حال حاضر قند و نشاسته به دلیل صرفهٔ اقتصادی، بیشترین کاربرد را دارند.
اینکه فراصوت چگونه فرایند اختصاصی یک مشتری را با خوراک مشخص و تحت شرایط معین بهبود می‌دهد، به‌آسانی با آزمون‌های امکان‌سنجی قابل بررسی است. در گام نخست، فراصوت‌دهی مقدار کمی از دوغاب مادهٔ اولیه با یک دستگاه آزمایشگاهی فراصوتی نشان می‌دهد که آیا فراصوت بر خوراک اثر می‌گذارد یا خیر.

آزمون امکان‌سنجی

در مرحلهٔ نخست آزمایش، مناسب است مقدار نسبتاً زیادی انرژی فراصوتی به حجم کمی از مایع وارد شود، زیرا به این ترتیب احتمال مشاهدهٔ هرگونه نتیجه افزایش می‌یابد. حجم کم نمونه همچنین زمان استفاده از دستگاه آزمایشگاهی را کوتاه و هزینه‌های آزمایش‌های اولیه را کاهش می‌دهد.
امواج فراصوت از سطح سونوتْرود به مایع منتقل می‌شوند. شدت فراصوت در زیر سطح سونوتْرود بیشترین مقدار را دارد. بنابراین، فاصلهٔ کم میان سونوتْرود و مادهٔ تحت فراصوت‌دهی ترجیح داده می‌شود. هنگامی که حجم کمی از مایع در معرض فراصوت قرار می‌گیرد، می‌توان فاصله از سونوتْرود را کوتاه نگه داشت.
جدول زیر مقادیر معمول انرژی/حجم را برای فرایندهای فراصوت‌دهی پس از بهینه‌سازی نشان می‌دهد. از آنجا که آزمایش‌های اولیه با پیکربندی بهینه انجام نمی‌شوند، شدت و مدت فراصوت‌دهی به میزان 10 تا 50 برابر مقدار معمول نشان خواهد داد که آیا اثری بر مادهٔ تحت فراصوت‌دهی وجود دارد یا خیر.

فرایند	انرژی/ حجم	حجم نمونه	توان	زمان
ساده	< 100Ws/mL	10mL	50W	< 20 sec
متوسط	100Ws/mL تا 500Ws/mL	10mL	50W	20 تا 100 sec
شدید	> 500Ws/mL	10mL	50W	>100 sec

جدول 1 – مقادیر معمول فراصوت‌دهی پس از بهینه‌سازی فرایند

توان ورودی واقعی در اجرای آزمایش‌ها را می‌توان از طریق ثبت دادهٔ یکپارچه (UP200Ht و UP200St)، رابط رایانه یا توان‌سنج ثبت کرد. با ترکیب این اطلاعات با داده‌های ثبت‌شدهٔ تنظیم دامنه و دما، می‌توان نتایج هر آزمایش را ارزیابی و مقدار مبنایی برای انرژی/حجم تعیین کرد.
اگر در طول آزمایش‌ها پیکربندی بهینه‌ای انتخاب شده باشد، می‌توان عملکرد این پیکربندی را در مرحلهٔ بهینه‌سازی تأیید و در نهایت مقیاس آن را تا سطح تجاری افزایش داد. برای تسهیل بهینه‌سازی، اکیداً توصیه می‌شود حدود فراصوت‌دهی، مانند دما، دامنه یا انرژی/حجم، برای فرمولاسیون‌های مشخص نیز بررسی شوند. از آنجا که فراصوت می‌تواند بر سلول‌ها، مواد شیمیایی یا ذرات اثرات منفی ایجاد کند، لازم است سطوح بحرانی هر پارامتر بررسی شوند تا بهینه‌سازی بعدی به محدوده‌ای از پارامترها محدود شود که در آن اثرات منفی مشاهده نمی‌شود. برای مطالعهٔ امکان‌سنجی، دستگاه‌های کوچک آزمایشگاهی یا رومیزی توصیه می‌شوند تا هزینهٔ تجهیزات و نمونه‌ها در چنین آزمایش‌هایی محدود شود. به‌طور کلی، دستگاه‌های 100 تا 1٬000 وات به‌خوبی پاسخ‌گوی اهداف مطالعهٔ امکان‌سنجی هستند. (ر.ک. Hielscher 2005)

بهینه‌سازی

نتایج مطالعات امکان‌سنجی ممکن است با توجه به حجم کم پردازش‌شده، مصرف انرژی نسبتاً بالایی نشان دهند. اما هدف اصلی آزمون امکان‌سنجی، نشان‌دادن اثرات فراصوت بر ماده است. اگر در آزمون امکان‌سنجی اثرات مثبتی مشاهده شود، باید اقدامات بیشتری برای بهینه‌سازی نسبت انرژی/حجم انجام گیرد. این به معنای بررسی پیکربندی ایدئال پارامترهای فراصوت برای دستیابی به بیشترین بازده با کمترین انرژی ممکن است تا فرایند از نظر اقتصادی تا حد امکان مقرون‌به‌صرفه و کارآمد شود. برای یافتن پیکربندی بهینهٔ پارامترها – دستیابی به مزایای موردنظر با حداقل انرژی ورودی – باید همبستگی میان مهم‌ترین پارامترها، یعنی دامنه، فشار، دما و مایع از نظر ترکیب آن، بررسی شود. در این گام دوم، گذار از فراصوت‌دهی ناپیوسته به یک آرایش فراصوت‌دهی پیوسته با راکتور سلول جریان توصیه می‌شود، زیرا در فراصوت‌دهی ناپیوسته نمی‌توان بر پارامتر مهم فشار تأثیر گذاشت. در فراصوت‌دهی ناپیوسته، فشار به فشار محیط محدود است. اگر فرایند فراصوت‌دهی از محفظهٔ سلول جریانی با قابلیت تنظیم فشار عبور کند، فشار را می‌توان افزایش داد (یا کاهش داد) که به‌طور کلی بر کاویتاسیون فراصوتی به‌شدت تأثیر می‌گذارد. با استفاده از سلول جریان می‌توان همبستگی میان فشار و کارایی فرایند را تعیین کرد. پردازشگرهای فراصوتی با توان بین 500 وات و 2000 وات مناسب‌ترین گزینه‌ها برای بهینه‌سازی فرایند هستند.

افزایش مقیاس تا تولید تجاری

پس از یافتن پیکربندی بهینه، افزایش بیشتر مقیاس آسان است، زیرا فرایندهای فراصوتی در مقیاس خطی کاملاً تکرارپذیر هستند. این بدان معناست که وقتی فراصوت با پیکربندی یکسان پارامترهای پردازش به فرمولاسیون مایع یکسانی اعمال می‌شود، برای دستیابی به نتیجه‌ای یکسان، مستقل از مقیاس پردازش، انرژی یکسانی به‌ازای حجم لازم است. (Hielscher 2005). به این ترتیب می‌توان پیکربندی بهینهٔ پارامترهای فراصوت را در مقیاس کامل تولید اجرا کرد. حجم قابل‌پردازش با فراصوت عملاً نامحدود است. سامانه‌های فراصوتی تجاری با توان حداکثر 16٬000 وات برای هر دستگاه موجود هستند و می‌توان آن‌ها را به‌صورت خوشه‌ای نصب کرد. این خوشه‌های پردازشگرهای فراصوتی را می‌توان به‌صورت موازی یا سری نصب کرد. با نصب خوشه‌ای پردازشگرهای فراصوتی پرتوان، توان کل تقریباً نامحدود است؛ بنابراین، جریان‌های حجیم را می‌توان بدون مشکل پردازش کرد. همچنین اگر تطبیق سامانهٔ فراصوتی لازم باشد، برای مثال جهت تنظیم پارامترها برای یک فرمولاسیون مایع تغییریافته، این کار اغلب با تعویض سونوتْرود، بوستر یا سلول جریان انجام‌پذیر است. قابلیت افزایش مقیاس خطی، تکرارپذیری و تطبیق‌پذیری فراصوت، این فناوری نوآورانه را کارآمد و مقرون‌به‌صرفه می‌کنند.

پارامترهای پردازش فراصوتی

پردازش فراصوتی مایعات با مجموعه‌ای از پارامترها توصیف می‌شود. مهم‌ترین آن‌ها دامنه، فشار، دما، گرانروی و غلظت هستند. برای پیکربندی معینی از پارامترها، نتیجهٔ فرایند، مانند اندازهٔ ذرات، تابعی از انرژی به‌ازای حجم پردازش‌شده است. این تابع با تغییر هر یک از پارامترها تغییر می‌کند. افزون بر این، توان خروجی واقعی به‌ازای واحد سطح سونوتْرود یک دستگاه فراصوتی به پارامترها بستگی دارد. توان خروجی به‌ازای واحد سطح سونوتْرود، شدت سطحی (I) است. شدت سطحی به دامنه (A)، فشار (p)، حجم راکتور (VR)، دما (T)، گرانروی (η) و عوامل دیگر بستگی دارد.

اثر کاویتاسیون ایجادشده به شدت سطحی بستگی دارد. نتیجهٔ فرایند نیز به همین ترتیب با آن همبستگی دارد. توان خروجی کل یک دستگاه فراصوتی، حاصل‌ضرب شدت سطحی (I) در مساحت سطح (S) است:

P [W] I [W / mm²]* S[mm²]

دامنه

دامنهٔ نوسان، مسافتی را توصیف می‌کند (مثلاً 50 µm) که سطح سونوتْرود در زمانی معین (مثلاً 1/20٬000s در 20kHz) طی می‌کند. هرچه دامنه بزرگ‌تر باشد، نرخ کاهش و افزایش فشار در هر حرکت بیشتر است. افزون بر این، جابه‌جایی حجمی در هر حرکت افزایش می‌یابد و حجم کاویتاسیون بزرگ‌تری ایجاد می‌کند (از نظر اندازه و/یا تعداد حباب‌ها). در دیسپرسیون‌ها، دامنه‌های بالاتر اثر تخریبی بیشتری بر ذرات جامد دارند. جدول 1 مقادیر کلی برخی فرایندهای فراصوتی را نشان می‌دهد.

فشار

نقطهٔ جوش مایع به فشار بستگی دارد. هرچه فشار بالاتر باشد، نقطهٔ جوش نیز بالاتر است و برعکس. فشار بالا امکان ایجاد کاویتاسیون در دماهای نزدیک به نقطهٔ جوش یا بالاتر از آن را فراهم می‌کند. همچنین شدت فروپاشی به درون را افزایش می‌دهد که با اختلاف میان فشار استاتیک و فشار بخار داخل حباب مرتبط است (ر.ک. Vercet et al. 1999). از آنجا که توان و شدت فراصوت با تغییر فشار به‌سرعت تغییر می‌کنند، پمپ فشار ثابت ترجیح داده می‌شود. هنگام تأمین مایع برای سلول جریان، پمپ باید بتواند دبی مشخص مایع را در فشارهای مناسب تأمین کند. پمپ‌های دیافراگمی یا غشایی؛ پمپ‌های لوله‌انعطاف‌پذیر، شلنگی یا فشاری؛ پمپ‌های پریستالتیک؛ یا پمپ‌های پیستونی یا پلانجری، نوسانات متناوب فشار ایجاد می‌کنند. پمپ‌های گریز از مرکز، دنده‌ای، مارپیچی و حفره‌پیش‌رونده که مایع مورد فراصوت‌دهی را با فشار پیوسته پایدار تأمین می‌کنند، ترجیح داده می‌شوند. (Hielscher 2005)

دما

با فراصوت‌دهی مایع، توان به محیط منتقل می‌شود. از آنجا که نوسان ایجادشده با فراصوت موجب آشفتگی و اصطکاک می‌شود، مایع تحت فراصوت‌دهی – مطابق قانون ترمودینامیک – گرم خواهد شد. دمای بالای محیط پردازش‌شده می‌تواند به ماده آسیب برساند و اثربخشی کاویتاسیون فراصوتی را کاهش دهد. سلول‌های جریان فراصوتی نوآورانه به ژاکت خنک‌کننده مجهز هستند (تصویر را ببینید). به این ترتیب، کنترل دقیق دمای ماده در طول پردازش فراصوتی امکان‌پذیر می‌شود. برای فراصوت‌دهی حجم‌های کمتر در بشر، استفاده از حمام یخ برای دفع گرما توصیه می‌شود.

گرانروی و غلظت

فرایندهای فراصوتی آسیاب‌کردن و پراکنده‌سازی در محیط مایع انجام می‌شوند. ذرات باید در یک سوسپانسیون، برای مثال در آب، روغن، حلال‌ها یا رزین‌ها، قرار داشته باشند. با استفاده از سامانه‌های فراصوتی عبور جریان، فراصوت‌دهی مواد خمیری با گرانروی بسیار بالا امکان‌پذیر می‌شود.
پردازشگر فراصوتی پرتوان را می‌توان در غلظت‌های نسبتاً بالای جامدات به کار گرفت. غلظت بالا، اثربخشی پردازش فراصوتی را فراهم می‌کند، زیرا اثر آسیاب‌کردن فراصوتی ناشی از برخورد بین ذرات است. بررسی‌ها نشان داده‌اند که نرخ شکست سیلیکا تا غلظت جامد 50% وزنی، مستقل از غلظت جامد است. پردازش مستربچ‌هایی با سهم بسیار بالای ماده، یکی از روش‌های متداول تولید با استفاده از فراصوت‌دهی است.

توان و شدت در برابر انرژی

شدت سطحی و توان کل صرفاً شدت پردازش را توصیف می‌کنند. برای توصیف فرایند فراصوت‌دهی به‌گونه‌ای که قابل افزایش مقیاس و تکرارپذیر باشد، باید حجم نمونهٔ تحت فراصوت‌دهی و مدت قرارگیری آن در معرض شدت معین در نظر گرفته شوند. برای پیکربندی معینی از پارامترها، نتیجهٔ فرایند، مانند اندازهٔ ذرات یا تبدیل شیمیایی، به انرژی به‌ازای حجم (E/V) بستگی خواهد داشت.

نتیجه = f (E /V )

در اینجا انرژی (E) حاصل‌ضرب توان خروجی (P) در مدت مواجهه (t) است.

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

تغییر پیکربندی پارامترها، تابع نتیجه را تغییر می‌دهد. این امر به‌نوبهٔ خود مقدار انرژی (E) موردنیاز برای حجم معینی از نمونه (V) را جهت دستیابی به مقدار مشخصی از نتیجه تغییر می‌دهد. به همین دلیل، اعمال توان مشخصی از فراصوت به یک فرایند برای دستیابی به نتیجه کافی نیست. برای تعیین توان موردنیاز و پیکربندی پارامترهایی که توان باید در آن به مادهٔ تحت پردازش وارد شود، رویکرد دقیق‌تری لازم است. (Hielscher 2005)

تولید بیواتانول به کمک فراصوت

از پیش مشخص شده است که فراصوت تولید بیواتانول را بهبود می‌بخشد. توصیه می‌شود مایع با افزودن زیست‌توده به دوغابی با گرانروی بالا تبدیل شود که همچنان قابلیت پمپاژ داشته باشد. راکتورهای فراصوتی می‌توانند غلظت‌های نسبتاً بالای جامدات را پردازش کنند تا فرایند فراصوت‌دهی با بیشترین کارایی انجام شود. هرچه مادهٔ بیشتری در دوغاب وجود داشته باشد، مایع حامل کمتری پردازش می‌شود؛ مایعی که از فرایند فراصوت‌دهی سودی نمی‌برد. از آنجا که طبق قانون ترمودینامیک، ورود انرژی به مایع باعث گرم‌شدن آن می‌شود، این بدان معناست که انرژی فراصوتی تا حد امکان به مادهٔ هدف اعمال می‌شود. چنین طراحی کارآمدی برای فرایند، از گرم‌کردن بیهودهٔ مایع حامل اضافی جلوگیری می‌کند.
فراصوت به استخراج مواد درون‌سلولی کمک می‌کند و به این ترتیب آن‌ها را برای تخمیر آنزیمی در دسترس قرار می‌دهد. تیمار فراصوتی ملایم می‌تواند فعالیت آنزیمی را افزایش دهد، اما برای استخراج زیست‌توده، فراصوت شدیدتری لازم است. بنابراین، آنزیم‌ها باید پس از فراصوت‌دهی به دوغاب زیست‌توده افزوده شوند، زیرا فراصوت شدید آنزیم‌ها را غیرفعال می‌کند که اثری نامطلوب است.

نتایج کنونی حاصل از پژوهش‌های علمی:

مطالعات Yoswathana et al. (2010) دربارهٔ تولید بیواتانول از کاه برنج نشان داده‌اند که ترکیب پیش‌تیمار اسیدی و فراصوتی پیش از تیمار آنزیمی، به افزایش بازده قند تا 44% (بر مبنای کاه برنج) می‌انجامد. این امر اثربخشی ترکیب پیش‌تیمار فیزیکی و شیمیایی را پیش از هیدرولیز آنزیمی مواد لیگنوسلولزی به قند نشان می‌دهد. 

نمودار 2 اثرات مثبت تابش فراصوت در طول تولید بیواتانول از کاه برنج را به‌صورت گرافیکی نشان می‌دهد. (برای سم‌زدایی نمونه‌های پیش‌تیمارشده با اسید/ آنزیم و پیش‌تیمار فراصوتی، از زغال استفاده شده است.)

در مطالعهٔ جدید دیگری، تأثیر فراصوت‌دهی بر سطوح برون‌سلولی و درون‌سلولی آنزیم β-گالاکتوزیداز بررسی شده است. Sulaiman et al. (2011) توانستند با استفاده از فراصوت در دمای کنترل‌شده و تحریک رشد مخمر Kluyveromyces marxianus (ATCC 46537)، بهره‌وری تولید بیواتانول را به‌طور چشمگیری بهبود دهند. نویسندگان مقاله جمع‌بندی می‌کنند که فراصوت‌دهی متناوب با فراصوت پرتوان (20 kHz) در چرخه‌های کاری ≤20%، تولید زیست‌توده، متابولیسم لاکتوز و تولید اتانول را در K. marxianus با شدت نسبتاً بالای فراصوت‌دهی 11٫8Wcm² تحریک کرد. در بهترین شرایط، فراصوت‌دهی غلظت نهایی اتانول را نسبت به نمونهٔ شاهد به حدود 3٫5 برابر افزایش داد. این میزان با افزایش 3٫5 برابری بهره‌وری اتانول متناظر بود، اما به 952W توان ورودی اضافی به‌ازای هر مترمکعب محیط کشت، از طریق فراصوت‌دهی، نیاز داشت. این نیاز اضافی به انرژی قطعاً در محدودهٔ ضوابط عملیاتی قابل‌قبول برای زیست‌راکتورها قرار داشت و برای محصولات با ارزش بالا، به‌آسانی با افزایش بهره‌وری قابل جبران بود.

نتیجه‌گیری: مزایای تخمیر به کمک فراصوت

تیمار فراصوتی به‌عنوان روشی کارآمد و نوآورانه برای افزایش بازده بیواتانول شناخته شده است. فراصوت عمدتاً برای استخراج مواد درون‌سلولی از زیست‌توده، مانند ذرت، سویا، کاه، مواد لیگنوسلولزی یا پسماندهای گیاهی، استفاده می‌شود.

• افزایش بازده بیواتانول
• فروپاشی/ تخریب سلولی و آزادسازی مواد درون‌سلولی
• بهبود تجزیهٔ بی‌هوازی
• فعال‌سازی آنزیم‌ها با فراصوت‌دهی ملایم
• بهبود کارایی فرایند با دوغاب‌های پرغلظت

آزمون آسان، افزایش مقیاس تکرارپذیر و نصب آسان (حتی در جریان‌های تولید موجود)، فراصوت را به فناوری سودآور و کارآمدی تبدیل می‌کنند. پردازشگرهای فراصوتی صنعتی قابل‌اعتماد برای پردازش تجاری در دسترس هستند و امکان فراصوت‌دهی حجم‌های عملاً نامحدود مایع را فراهم می‌کنند.