Ultraääniavusteinen fermentointi bioetanolin tuotannossa

Ultraääniavusteinen fermentointi voi tehostaa bioetanolin tuotantoa edistämällä monimutkaisten hiilihydraattien hajoamista yksinkertaisemmiksi sokereiksi, jolloin hiiva pystyy helpommin muuttamaan ne etanoliksi. Samalla ultraäänikäsittely myös tehostaa hiivasolujen soluseinämän läpäisevyyttä, mikä mahdollistaa etanolin nopeamman vapautumisen ja kokonaistuotannon kasvun. Näin ultraääniavusteinen bioetanolin fermentointi johtaa korkeampiin konversioasteisiin ja suurempiin saantoihin.

Fermentointi

Fermentointi voi olla aerobinen (= oksidatiivinen fermentointi) tai anaerobinen prosessi, jota käytetään bioteknologisissa sovelluksissa orgaanisen materiaalin muuntamiseen bakteeri-, sieni- tai muilla biologisilla soluviljelmillä tai entsyymeillä. Fermentoinnissa energiaa saadaan orgaanisten yhdisteiden, esimerkiksi hiilihydraattien, hapettumisesta.
Sokeri on fermentoinnin yleisin substraatti, ja fermentoinnin jälkeen syntyviä tuotteita ovat esimerkiksi maitohappo, laktoosi, etanoli ja vety. Alkoholifermentoinnissa etanolia tuotetaan fermentoimalla erityisesti polttoainekäyttöön mutta myös alkoholijuomiin. Kun tietyt hiivakannat, kuten Saccharomyces cerevisiae, metaboloivat sokeria, hiivasolut muuttavat lähtömateriaalin etanoliksi ja hiilidioksidiksi.

Alla olevat kemialliset yhtälöt esittävät muuntumisen tiivistetysti:

Jos lähtömateriaali on tärkkelystä, esimerkiksi maissista saatavaa, tärkkelys on ensin muutettava sokeriksi. Polttoaineena käytettävän bioetanolin tuotannossa tärkkelyksen muuntamiseen tarvitaan hydrolyysiä. Hydrolyysiä nopeutetaan tavallisesti happo- tai entsyymikäsittelyllä tai molempien yhdistelmällä. Fermentointi suoritetaan yleensä noin 35–40 °C:ssa.
Yleiskatsaus erilaisiin fermentointiprosesseihin:

Elintarvikkeet:

• tuotanto & säilöntä
• maitotuotteet (maitohappokäyminen), esimerkiksi jogurtti, kirnupiimä ja kefiiri
• maitohappokäymisellä fermentoidut kasvikset, esimerkiksi kimchi, miso, natto, tsukemono ja hapankaali
• aromien kehittäminen, esimerkiksi soijakastikkeessa
• parkkiaineiden hajottaminen, esimerkiksi teessä, kaakaossa, kahvissa ja tupakassa
• alkoholijuomat, esimerkiksi olut, viini ja viski

Lääkkeet:

• lääkinnällisten yhdisteiden tuotanto, esimerkiksi insuliini ja hyaluronihappo

Biokaasu/etanoli:

• biokaasun/bioetanolin tuotannon tehostaminen

Useat tutkimusjulkaisut sekä pöytämittakaavan ja pilot-mittakaavan kokeet ovat osoittaneet, että ultraääni tehostaa fermentointiprosessia lisäämällä entsymaattiseen fermentointiin käytettävissä olevan biomassan määrää. Seuraavassa osiossa käsitellään tarkemmin ultraäänen vaikutuksia nesteessä.

Nesteiden ultraäänikäsittelyn vaikutukset

Suuritehoisella, matalataajuisella ultraäänellä voidaan tuottaa suuria amplitudeja. Siksi suuritehoista, matalataajuista ultraääntä voidaan käyttää nesteiden käsittelyyn, kuten sekoittamiseen, emulgointiin, dispergointiin ja deagglomerointiin tai jauhatukseen.
Kun nesteitä käsitellään voimakkaalla ultraäänellä, nestemäisessä väliaineessa etenevät ääniaallot aiheuttavat vuorottelevia korkeapaineisia (puristus) ja matalapaineisia (harvennus) jaksoja, joiden toistumisnopeus riippuu taajuudesta. Matalapainejakson aikana voimakkaat ultraääniaallot muodostavat nesteeseen pieniä tyhjiökuplia tai onteloita. Kun kuplat saavuttavat tilavuuden, jossa ne eivät enää pysty absorboimaan energiaa, ne romahtavat voimakkaasti korkeapainejakson aikana. Tätä ilmiötä kutsutaan kavitaatioksi. Kavitaatio tarkoittaa ”kuplien muodostumista, kasvua ja sisäänpäin suuntautuvaa romahtamista nesteessä. Kavitaatioromahdus tuottaa voimakasta paikallista kuumenemista (~5000 K), korkeita paineita (~1000 atm) ja valtavia kuumenemis- ja jäähtymisnopeuksia (>109 K/sec)” sekä nestesuihkuja (~400 km/h)”. (Suslick 1998)

Kavitaatiota voidaan synnyttää eri tavoin, esimerkiksi korkeapainesuuttimilla, roottori-staattorisekoittimilla tai ultraääniprosessoreilla. Kaikissa näissä järjestelmissä syötetty energia muuttuu kitkaksi, turbulenssiksi, aalloiksi ja kavitaatioksi. Kavitaatioksi muuttuvan syötetyn energian osuus riippuu useista tekijöistä, jotka kuvaavat kavitaatiota synnyttävän laitteiston liikettä nesteessä. Kiihtyvyyden suuruus on yksi tärkeimmistä tekijöistä, jotka vaikuttavat energian tehokkaaseen muuttumiseen kavitaatioksi. Suurempi kiihtyvyys synnyttää suurempia paine-eroja. Tämä puolestaan lisää tyhjiökuplien muodostumisen todennäköisyyttä nesteessä etenevien aaltojen muodostumisen sijaan. Mitä suurempi kiihtyvyys on, sitä suurempi osuus energiasta muuttuu siis kavitaatioksi.
Ultraäänimuuntimen tapauksessa värähtelyn amplitudi kuvaa kiihtyvyyden suuruutta. Suuremmat amplitudit johtavat tehokkaampaan kavitaation syntymiseen. Voimakkuuden lisäksi nestettä tulisi kiihdyttää siten, että turbulenssista, kitkasta ja aaltojen muodostumisesta aiheutuvat häviöt jäävät mahdollisimman pieniksi. Tähän optimaalinen tapa on liike yhteen suuntaan. Ultraäänikäsittelyn voimakkuutta ja parametreja muuttamalla ultraääni voi olla hyvin voimakasta tai hyvin hellävaraista. Tämä tekee ultraäänestä erittäin monipuolisen työkalun erilaisiin sovelluksiin.

Hellävaraisiin sovelluksiin, joissa käytetään lievää ultraäänikäsittelyä miedoissa olosuhteissa, kuuluvat kaasunpoisto, emulgointi ja entsyymien aktivointi. Voimakkaita sovelluksia, joissa käytetään voimakasta, suuritehoista ultraääntä (useimmiten korotetussa paineessa), ovat märkäjauhatus, deagglomerointi ja hiukkaskoon pienentäminen sekä dispergointi. Monissa sovelluksissa, kuten uutossa, hajotuksessa tai sonokemiassa, tarvittava ultraäänen voimakkuus riippuu käsiteltävästä materiaalista. Yksittäiseen prosessiin mukautettavien monipuolisten parametrien ansiosta ultraääni mahdollistaa optimaalisten olosuhteiden löytämisen jokaiselle prosessille.
Erinomaisen tehonmuunnon lisäksi ultraäänikäsittely tarjoaa merkittävän edun: tärkeimpien parametrien eli amplitudin, paineen, lämpötilan, viskositeetin ja pitoisuuden täydellisen hallinnan. Näin kaikkia näitä parametreja voidaan säätää kullekin materiaalille ihanteellisten käsittelyparametrien löytämiseksi. Tämä johtaa suurempaan vaikuttavuuteen ja optimoituun tehokkuuteen.

Ultraääni fermentointiprosessien tehostamisessa – esimerkkinä bioetanolin tuotanto

Bioetanoli on tuote, joka syntyy anaerobisten tai aerobisten bakteerien hajottaessa biomassaa tai jätteiden biohajoavaa ainesta. Tuotettua etanolia käytetään pääasiassa biopolttoaineena. Tämä tekee bioetanolista uusiutuvan ja ympäristöystävällisen vaihtoehdon fossiilisille polttoaineille, kuten maakaasulle.
Etanolin tuottamiseen biomassasta voidaan käyttää raaka-aineina sokeria, tärkkelystä ja lignoselluloosamateriaalia. Teollisessa tuotannossa sokeri ja tärkkelys ovat tällä hetkellä vallitsevia raaka-aineita, koska ne ovat taloudellisesti edullisia.
Soveltuvuuskokeilla voidaan hyvin helposti kokeilla, miten ultraääni tehostaa asiakaskohtaista prosessia tietyllä raaka-aineella ja tietyissä olosuhteissa. Ensimmäisessä vaiheessa pienen raaka-ainelietemäärän ultraäänikäsittely ultraääntä käyttävällä laboratoriolaitteella osoittaa, vaikuttaako ultraääni raaka-aineeseen.

Soveltuvuuskokeet

Ensimmäisessä testausvaiheessa on tarkoituksenmukaista syöttää suhteellisen paljon ultraäänienergiaa pieneen nestetilavuuteen, koska tämä lisää mahdollisuutta havaita, voidaanko tuloksia saavuttaa. Pieni näytetilavuus myös lyhentää laboratoriolaitteen käyttöaikaa ja pienentää ensimmäisten kokeiden kustannuksia.
Ultraääniaallot siirtyvät sonotrodin pinnalta nesteeseen. Sonotrodin pinnan alapuolella ultraäänen voimakkuus on suurimmillaan. Siksi sonotrodin ja ultraäänikäsiteltävän materiaalin välinen etäisyys kannattaa pitää lyhyenä. Kun käsitellään pientä nestetilavuutta, etäisyys sonotrodista voidaan pitää lyhyenä.
Alla olevassa taulukossa esitetään ultraäänikäsittelyprosessien tyypillisiä energia/tilavuustasoja optimoinnin jälkeen. Koska ensimmäisiä kokeita ei tehdä optimaalisilla asetuksilla, ultraäänikäsittelyn voimakkuus ja aika, jotka ovat 10–50 kertaa tyypillinen arvo, osoittavat, onko käsiteltävään materiaaliin vaikutusta vai ei.

Prosessi	Energia/ tilavuus	Näytetilavuus	Teho	Aika
Yksinkertainen	< 100Ws/mL	10mL	50W	< 20 sec
Keskitasoinen	100Ws/mL – 500Ws/mL	10mL	50W	20–100 sec
Vaativa	> 500Ws/mL	10mL	50W	>100 sec

Taulukko 1 – tyypillisiä ultraäänikäsittelyarvoja prosessin optimoinnin jälkeen

Koeajojen todellinen syöttöteho voidaan tallentaa integroidulla tiedontallennuksella (UP200Ht ja UP200St), PC-liitännän kautta tai tehomittarilla. Yhdessä tallennettujen amplitudiasetus- ja lämpötilatietojen kanssa kunkin kokeen tuloksia voidaan arvioida ja energia/tilavuussuhteelle voidaan määrittää perustaso.
Jos kokeissa on valittu optimaalinen kokoonpano, sen suorituskyky voitaisiin varmistaa optimointivaiheessa ja lopulta skaalata kaupalliseen mittakaavaan. Optimoinnin helpottamiseksi on erittäin suositeltavaa tutkia myös ultraäänikäsittelyn rajoja, esimerkiksi lämpötilaa, amplitudia tai energia/tilavuussuhdetta tietyille koostumuksille. Koska ultraääni saattaa vaikuttaa kielteisesti soluihin, kemikaaleihin tai hiukkasiin, kunkin parametrin kriittiset tasot on tutkittava, jotta seuraava optimointi voidaan rajata parametrialueelle, jolla kielteisiä vaikutuksia ei havaita. Soveltuvuustutkimukseen suositellaan pieniä laboratorio- tai pöytälaitteita, jotta laitteisto- ja näytekustannukset pysyvät tällaisissa kokeissa pieninä. Yleensä 100–1 000 watin laitteet soveltuvat erittäin hyvin soveltuvuustutkimuksen tarpeisiin. (vrt. Hielscher 2005)

Optimointi

Soveltuvuustutkimuksissa saavutetut tulokset saattavat osoittaa melko suurta energiankulutusta suhteessa pieneen käsiteltyyn tilavuuteen. Soveltuvuuskokeen tarkoituksena on kuitenkin ensisijaisesti osoittaa ultraäänen vaikutukset materiaaliin. Jos soveltuvuuskokeissa ilmeni myönteisiä vaikutuksia, energia/tilavuussuhteen optimoimiseksi on tehtävä lisätyötä. Tämä tarkoittaa ultraääniparametrien ihanteellisten asetusten tutkimista, jotta saavutetaan suurin saanto mahdollisimman vähäisellä energiankäytöllä ja prosessista tulee taloudellisesti mahdollisimman järkevä ja tehokas. Optimaalisten parametriasetusten löytämiseksi – tavoiteltujen hyötyjen saavuttamiseksi mahdollisimman pienellä energiansyötöllä – on tutkittava tärkeimpien parametrien eli amplitudin, paineen, lämpötilan ja nesteen koostumuksen välisiä yhteyksiä. Tässä toisessa vaiheessa suositellaan siirtymistä eräkohtaisesta ultraäänikäsittelystä jatkuvatoimiseen ultraäänikäsittelyjärjestelmään, jossa on virtauskennoreaktori, koska tärkeään paineparametriin ei voida vaikuttaa eräkohtaisessa ultraäänikäsittelyssä. Eräkohtaisen ultraäänikäsittelyn aikana paine rajoittuu ympäristön paineeseen. Jos ultraäänikäsittely tapahtuu paineistettavassa virtauskennon kammiossa, painetta voidaan nostaa (tai laskea), mikä yleensä vaikuttaa ultraäänen synnyttämään kavitaatioon voimakkaasti. Virtauskennon avulla voidaan määrittää paineen ja prosessin tehokkuuden välinen yhteys. Teholtaan 500 watin ja 2000 watin välillä olevat ultraääniprosessorit soveltuvat parhaiten prosessin optimointiin.

Skaalaus kaupalliseen tuotantoon

Kun optimaalinen kokoonpano on löydetty, skaalaus suurempaan mittakaavaan on helppoa, sillä ultraääniprosessit ovat täysin toistettavissa lineaarisesti skaalattaessa. Tämä tarkoittaa, että kun ultraääntä käytetään identtiseen nestekoostumukseen identtisillä käsittelyparametrien asetuksilla, identtisen tuloksen saavuttamiseen tarvitaan sama energia tilavuusyksikköä kohti käsittelyn mittakaavasta riippumatta. (Hielscher 2005). Näin ultraäänen optimaaliset parametriasetukset voidaan ottaa käyttöön täysimittaisessa tuotannossa. Ultraäänellä käsiteltävissä oleva tilavuus on käytännössä rajaton. Saatavilla on kaupallisia ultraäänijärjestelmiä, joiden yksikkökohtainen teho on jopa 16 000 wattia ja jotka voidaan asentaa ryhmiksi. Tällaiset ultraääniprosessoriryhmät voidaan asentaa rinnakkain tai sarjaan. Kun suuritehoisia ultraääniprosessoreita asennetaan ryhmiksi, kokonaisteho on lähes rajaton, joten suuria tilavuusvirtoja voidaan käsitellä ongelmitta. Jos ultraäänijärjestelmää on mukautettava esimerkiksi parametrien sovittamiseksi muuttuneeseen nestekoostumukseen, tämä voidaan useimmiten tehdä vaihtamalla sonotrodi, amplitudinvahvistin tai virtauskenno. Ultraäänen lineaarinen skaalautuvuus, toistettavuus ja mukautettavuus tekevät tästä innovatiivisesta teknologiasta tehokkaan ja kustannustehokkaan.

Ultraäänikäsittelyn parametrit

Nesteiden ultraäänikäsittelyä kuvataan useilla parametreilla. Tärkeimmät ovat amplitudi, paine, lämpötila, viskositeetti ja pitoisuus. Tietyillä parametriasetuksilla prosessin tulos, esimerkiksi hiukkaskoko, on käsiteltyä tilavuutta kohti syötetyn energian funktio. Funktio muuttuu yksittäisten parametrien muuttuessa. Lisäksi ultraäänilaitteen sonotrodin todellinen antoteho pinta-alayksikköä kohti riippuu parametreista. Sonotrodin antoteho pinta-alayksikköä kohti on pintaintensiteetti (I). Pintaintensiteetti riippuu amplitudista (A), paineesta (p), reaktorin tilavuudesta (VR), lämpötilasta (T), viskositeetista (η) ja muista tekijöistä.

Syntyneen kavitaation vaikutus riippuu pintaintensiteetistä. Prosessin tulos korreloi samalla tavoin. Ultraäänilaitteen kokonaisantoteho on pintaintensiteetin (I) ja pinta-alan (S) tulo:

P [W] I [W / mm²]* S[mm²]

Amplitudi

Värähtelyn amplitudi kuvaa matkaa (esimerkiksi 50 µm), jonka sonotrodin pinta kulkee tietyssä ajassa (esimerkiksi 1/20 000s taajuudella 20kHz). Mitä suurempi amplitudi on, sitä nopeammin paine laskee ja nousee jokaisella liikkeellä. Lisäksi kunkin liikkeen syrjäyttämä tilavuus kasvaa, mikä johtaa suurempaan kavitaatiotilavuuteen (kuplien kokoon ja/tai määrään). Dispersioissa käytettynä suuremmat amplitudit hajottavat kiinteitä hiukkasia voimakkaammin. Taulukossa 1 esitetään yleisiä arvoja joillekin ultraääniprosesseille.

Paine

Nesteen kiehumispiste riippuu paineesta. Mitä korkeampi paine on, sitä korkeampi kiehumispiste on, ja päinvastoin. Korotettu paine mahdollistaa kavitaation kiehumispisteen lähellä olevissa tai sen ylittävissä lämpötiloissa. Se lisää myös sisäänpäin suuntautuvan romahduksen voimakkuutta, joka liittyy staattisen paineen ja kuplan sisäisen höyrynpaineen väliseen eroon (vrt. Vercet et al. 1999). Koska ultraääniteho ja voimakkuus muuttuvat nopeasti paineen muuttuessa, vakiopainepumppu on suositeltava. Kun nestettä syötetään virtauskennoon, pumpun on pystyttävä käsittelemään kyseistä nestevirtaa sopivissa paineissa. Kalvo- tai membraanipumput; joustavaputkiset, letku- tai puristuspumput; peristalttiset pumput; tai mäntä- tai plunger-pumput aiheuttavat vuorottelevia painevaihteluita. Suositeltavia ovat keskipakopumput, hammaspyöräpumput, spiraalipumput ja epäkeskoruuvipumput, jotka syöttävät ultraäänikäsiteltävää nestettä jatkuvasti vakaalla paineella. (Hielscher 2005)

Lämpötila

Nestettä ultraäänikäsiteltäessä tehoa siirtyy väliaineeseen. Koska ultraäänen synnyttämä värähtely aiheuttaa turbulenssia ja kitkaa, ultraäänikäsiteltävä neste lämpenee termodynamiikan lain mukaisesti. Käsiteltävän väliaineen kohonneet lämpötilat voivat vahingoittaa materiaalia ja heikentää ultraäänikavitaation tehokkuutta. Innovatiiviset ultraäänivirtauskennot on varustettu jäähdytysvaipalla (katso kuva). Tämä mahdollistaa materiaalin lämpötilan tarkan hallinnan ultraäänikäsittelyn aikana. Pienten tilavuuksien ultraäänikäsittelyyn dekantterilasissa suositellaan jäähaudetta lämmön poistamiseksi.

Viskositeetti ja pitoisuus

Ultraääneen perustuva jauhatus ja dispergointi ovat nesteprosesseja. Hiukkasten on oltava suspensiossa, esimerkiksi vedessä, öljyssä, liuottimissa tai hartseissa. Ultraääniläpivirtausjärjestelmien avulla voidaan ultraäänikäsitellä erittäin viskoosia, tahnamaista materiaalia.
Suuritehoista ultraääniprosessoria voidaan käyttää melko suurilla kiintoainepitoisuuksilla. Suuri pitoisuus varmistaa ultraäänikäsittelyn tehokkuuden, sillä ultraäänijauhatuksen vaikutus syntyy hiukkasten välisistä törmäyksistä. Tutkimukset ovat osoittaneet, että piidioksidin hajoamisnopeus on riippumaton kiintoainepitoisuudesta aina 50 %:n massapitoisuuteen asti. Erittäin suuren materiaalipitoisuuden sisältävien masterbatch-seosten käsittely on yleinen ultraäänikäsittelyä hyödyntävä tuotantomenetelmä.

Teho ja intensiteetti suhteessa energiaan

Pintaintensiteetti ja kokonaisteho kuvaavat ainoastaan käsittelyn voimakkuutta. Ultraäänikäsiteltävä näytetilavuus ja altistusaika tietyllä voimakkuudella on otettava huomioon ultraäänikäsittelyprosessin kuvauksessa, jotta siitä tulee skaalautuva ja toistettava. Tietyillä parametriasetuksilla prosessin tulos, esimerkiksi hiukkaskoko tai kemiallinen konversio, riippuu energiasta tilavuusyksikköä kohti (E/V).

Tulos = f (E /V )

Tässä energia (E) on antotehon (P) ja altistusajan (t) tulo.

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

Parametriasetusten muutokset muuttavat tulosfunktiota. Tämä puolestaan muuttaa energiamäärää (E), joka tarvitaan tietylle näytearvolle (V) tietyn tulosarvon saavuttamiseksi. Tästä syystä pelkkä tietyn ultraäänitehon käyttäminen prosessissa ei riitä tuloksen saavuttamiseen. Tarvitaan kehittyneempi lähestymistapa tarvittavan tehon ja niiden parametriasetusten tunnistamiseksi, joilla teho tulisi syöttää prosessimateriaaliin. (Hielscher 2005)

Ultraääniavusteinen bioetanolin tuotanto

Jo tiedetään, että ultraääni tehostaa bioetanolin tuotantoa. On suositeltavaa sakeuttaa neste biomassalla erittäin viskoosiksi lietteeksi, joka on edelleen pumpattavissa. Ultraäänireaktorit pystyvät käsittelemään melko suuria kiintoainepitoisuuksia, joten ultraäänikäsittely voidaan suorittaa mahdollisimman tehokkaasti. Mitä enemmän materiaalia liete sisältää, sitä vähemmän käsitellään kantajanestettä, joka ei hyödy ultraäänikäsittelystä. Koska energian syöttäminen nesteeseen aiheuttaa termodynamiikan lain mukaisesti nesteen lämpenemistä, tämä tarkoittaa, että ultraäänienergia kohdistetaan mahdollisimman suurelta osin kohdemateriaaliin. Tällaisella tehokkaalla prosessisuunnittelulla vältetään ylimääräisen kantajanesteen tuhlaava lämmittäminen.
Ultraääni edistää solunsisäisen materiaalin uuttoa ja tekee sen siten käytettäväksi entsymaattiseen fermentointiin. Hellävarainen ultraäänikäsittely voi lisätä entsyymiaktiivisuutta, mutta biomassan uutto edellyttää voimakkaampaa ultraääntä. Siksi entsyymit tulisi lisätä biomassalietteeseen ultraäänikäsittelyn jälkeen, sillä voimakas ultraääni inaktivoi entsyymejä, mikä on epätoivottu vaikutus.

Tieteellisen tutkimuksen nykyisiä tuloksia:

Yoswathana et al. (2010) ovat riisin oljesta tapahtuvaa bioetanolin tuotantoa koskevissa tutkimuksissaan osoittaneet, että happoesikäsittelyn ja ennen entsyymikäsittelyä käytetyn ultraäänen yhdistelmä johti lisääntyneeseen sokerisaantoon, joka oli jopa 44 % (riisin olkeen suhteutettuna). Tämä osoittaa fysikaalisen ja kemiallisen esikäsittelyn yhdistelmän tehokkuuden ennen lignoselluloosamateriaalin entsymaattista hydrolyysiä sokeriksi. 

Kaavio 2 havainnollistaa graafisesti ultraäänisäteilytyksen myönteisiä vaikutuksia riisin oljesta tapahtuvassa bioetanolin tuotannossa. (Puuhiiltä on käytetty happo-/entsyymiesikäsittelyllä ja ultraääniesikäsittelyllä esikäsiteltyjen näytteiden myrkyllisten aineiden poistamiseen.)

Toisessa tuoreessa tutkimuksessa on selvitetty ultraäänikäsittelyn vaikutusta solunulkoisen ja solunsisäisen β-galaktosidaasientsyymin tasoihin. Sulaiman et al. (2011) pystyivät parantamaan bioetanolin tuotannon tuottavuutta huomattavasti käyttämällä ultraääntä hallitussa lämpötilassa ja stimuloimalla Kluyveromyces marxianus -hiivan (ATCC 46537) kasvua. Julkaisun kirjoittajat toteavat yhteenvedossaan, että jaksottainen käsittely teho-ultraäänellä (20 kHz) käyttöjaksoilla ≤20 % stimuloi biomassan tuotantoa, laktoosin metaboliaa ja etanolin tuotantoa K. marxianus -hiivassa suhteellisen suurella ultraäänikäsittelyn voimakkuudella 11,8Wcm². Parhaissa olosuhteissa ultraäänikäsittely nosti lopullisen etanolipitoisuuden lähes 3,5-kertaiseksi vertailuun nähden. Tämä vastasi etanolin tuottavuuden 3,5-kertaistumista mutta edellytti ultraäänikäsittelyn kautta 952W lisäsyöttötehoa viljelyliemen kuutiometriä kohti. Tämä lisäenergiantarve oli varmasti bioreaktorien hyväksyttävien toimintanormien rajoissa, ja arvokkaiden tuotteiden tapauksessa kasvanut tuottavuus voisi helposti kompensoida sen.

Johtopäätös: ultraääniavusteisen fermentoinnin hyödyt

Ultraäänikäsittely on osoittautunut tehokkaaksi ja innovatiiviseksi menetelmäksi bioetanolisaannon parantamiseen. Ultraääntä käytetään ensisijaisesti solunsisäisen materiaalin uuttamiseen biomassasta, kuten maissista, soijapavuista, oljesta, lignoselluloosamateriaalista tai kasviperäisistä jätemateriaaleista.

• Bioetanolisaannon kasvu
• Hajotus/solujen hajotus ja solunsisäisen materiaalin vapautuminen
• Tehostunut anaerobinen hajoaminen
• Entsyymien aktivointi hellävaraisella ultraäänikäsittelyllä
• Prosessin tehokkuuden parantaminen suuren pitoisuuden lietteillä

Helppo testaus, toistettava skaalaus ja helppo asennus (myös olemassa oleviin tuotantovirtoihin) tekevät ultraäänestä kannattavan ja tehokkaan teknologian. Saatavilla on luotettavia teollisia ultraääniprosessoreita kaupalliseen käsittelyyn, ja ne mahdollistavat käytännössä rajattomien nestetilavuuksien ultraäänikäsittelyn.