Hielscher Ultra ääni tekniikka

Ultrasonically Assisted Fermentation Bioetanolituotannolle

käyminen

Fermentaatio voi olla aerobinen (= hapettava fermentaatio) tai anaerobinen prosessi, jota käytetään bioteknologisiin sovelluksiin orgaanisen materiaalin muuttamiseksi bakteereilla, sienillä tai muilla biologisilla soluviljelmillä tai entsyymeillä. Fermentaatiolla energiaa uutetaan orgaanisten yhdisteiden, esimerkiksi hiilihydraattien, hapettumiselta.

Sokeri on tavallisin fermentaatiosubstraatti, joka johtuu käymisen jälkeen sellaisissa tuotteissa kuin maitohappo, laktoosi, etanoli ja vety. Alkoholifermentointia varten etanolia - erityisesti polttoaineena, mutta myös alkoholijuomiin – valmistetaan fermentaatiolla. Kun tiettyjä hiivakantoja, kuten Saccharomyces cerevisiae metaboloituvat sokeri, hiivasolut muuntavat lähtöaineen etanoliin ja hiilidioksidiin.

Alla olevat kemialliset yhtälöt ovat yhteenveto muuntamisesta:

Yhteisessä bioetanolin tuotannossa sokeri muunnetaan fermentoimalla maitohappoon, laktoosiin, etanoliin ja vetyyn.

Kemialliset yhtälöt kuvastavat bioetanolin muuttamisen.

Jos lähtöaine on tärkkelys, esim. Maissista, ensin tärkkelys on muutettava sokeriksi. Polttoaineena käytettävän bioetanolin osalta vaaditaan tärkkelyksen muuntamisen hydrolyysi. Tyypillisesti hydrolyysiä nopeutetaan hapan tai entsymaattisella käsittelyllä tai molempien yhdistelmällä. Tavallisesti fermentointi suoritetaan noin 35 - 40 ° C: ssa.
Yleiskatsaus erilaisiin käymisprosesseihin:

Ruoka:

  • tuotanto & säilytys
  • maito (maitohappokäymistö), esim. jogurtti, kirnupiimä, kefiiri
  • maitohappokasveja, esim. kimchi, miso, natto, tsukemono, hapankaali
  • aromaattisten aineiden kehittäminen, esim. soijakastike
  • parkitusaineiden hajotus, esim. tee, kaakao, kahvi, tupakka
  • alkoholijuomat, esim. olut, viini, viski

Huumeet:

  • lääketieteellisten yhdisteiden, esim. insuliinin, hyaluronihapon tuotanto

Biokaasu / etanoli:

  • biokaasun / bioetanolin tuotannon parantaminen

Eri tutkimuspapereita ja testejä penkki- ja ohjauskokoissa ovat osoittaneet, että ultraääni parantaa fermentaatioprosessia lisäämällä biomassaa entsymaattiseen fermentointiin. Seuraavassa osassa käsitellään ultraäänen vaikutuksia nesteeseen.

Ultraäänireaktorit lisäävät biodieselin saantoa ja jalostustehoa!

Bioetanolia voidaan tuottaa auringonkukan varsi, maissi, sokeriruoko jne.

Ultrasonic-nestekäsittelyn vaikutukset

Suuritehoisten / matalataajuisten ultraäänen avulla voidaan tuottaa suuria amplitudeja. Tämän ansiosta voidaan käyttää suuritehoisia / pienitaajuisia ultraääniä nestemäisten aineiden käsittelyyn, kuten sekoittamiseen, emulgointiin, dispergointiin ja deagglomerointiin tai jyrsintään.
Kun nesteitä sonikoidaan suurilla voimakkuuksilla, nestemäiseen väliaineeseen etenevät ääni-aallot johtavat vuorotellen korkeapaine- (puristus-) ja matalapaineisia (harvinainen) syklejä, joiden nopeudet riippuvat taajuudesta. Alhaisen paineen syklin aikana suuritehoiset ultraääni-aallot muodostavat pienet tyhjökuplat tai tyhjiöt nesteeseen. Kun kuplat saavuttavat tilavuuden, jossa ne eivät enää pysty absorboimaan energiaa, ne törmäävät voimakkaasti korkeapainesyklin aikana. Tätä ilmiötä kutsutaan kavitaatioksi. kavitaatio, tuo on “kuplien muodostumista, kasvua ja implisoivia romahtamista nesteessä. Cavitational collapse tuottaa voimakasta paikallista lämmitystä (~ 5000 K), korkeat paineet (~ 1000 atm) ja valtavat lämmitys- ja jäähdytysnopeudet (>109 K / s)” ja nestemäistä suihkuputkea (~ 400 km / h) ". (Suslick 1998)

Etanolin kemiallinen rakenne

Etanolin rakennekaava

Kavitaation muodostamisessa on erilaisia ​​keinoja, kuten korkeapaineisussuuttimet, roottori-staattori-sekoittimet tai ultraäänimittajat. Kaikissa näissä järjestelmissä tuloenergia muuttuu kitkaksi, turbulensseiksi, aalloiksi ja kavitaatioksi. Kavitaatioon muunnettavan tuloenergian osa riippuu useista tekijöistä, jotka kuvaavat kavitaation generoivan laitteen liikkumista nesteessä. Kiihdytyksen voimakkuus on yksi tärkeimmistä tekijöistä, jotka vaikuttavat energian tehokkaaseen muuttamiseen kavitaatioksi. Suurempi kiihtyvyys tuottaa suurempia paine-eroja. Tämä puolestaan ​​lisää tyhjökuplien syntymisen todennäköisyyttä sen sijaan, että syntyisi aaltoja, jotka etenivät nesteen läpi. Siten, mitä suurempi kiihtyvyys, sitä suurempi on energian osa, joka muuttuu kavitaatioksi.
Jos kyseessä on ultraäänianturi, värähtelyn amplitudi kuvaa kiihtyvyyden voimakkuutta. Korkeammat amplitudit johtavat tehokkaampaan kavitaatioon. Intensi- teetin lisäksi nestettä tulee kiihdyttää siten, että minimoidaan häiriöitä turbulenssin, kitkan ja aallon syntymisen suhteen. Tällöin optimaalinen tapa on yksipuolinen liikkeen suunta. Sonication prosessin voimakkuuden ja parametrien muuttaminen, ultraääni voi olla erittäin kova tai erittäin pehmeä. Tämä tekee ultraäänestä erittäin monipuolisen työkalun erilaisiin sovelluksiin.
Compact and powerful ultrasonic lab devices allow for simple testings in small scale to evaluate process feasibility

Kuva 1 – ultraäänilaboratorio UP100H (100 wattia) toteutettavuustestejä varten

Mukavat pehmeät sovellukset, joissa käytetään lievää sonikointia lievissä olosuhteissa kaasunpoisto, Emulgointikoe, ja entsyymiaktivaatio. Kova sovellus, jossa suuritehoinen / suuritehoinen ultraääni (enimmäkseen kohotetussa paineessa) on Märkäjauhatusteollisuudesta, deagglomeraatio & hiukkaskoko vähenee, ja hajotus. Monissa sovelluksissa, kuten poisto, hajoaminen tai sonokemian, vaadittu ultraääniintensiteetti riippuu siitä, millainen materiaali on sonicated. Erilaisilla parametreilla, jotka voidaan mukauttaa yksittäiseen prosessiin, ultraääni mahdollistaa makean pisteen löytämisen jokaiselle yksittäiselle prosessille.
Erinomaisen tehon muuntamisen lisäksi ultraääni tarjoaa suuren edun täyden hallinnan tärkeimmistä parametreista: amplitudi, paine, lämpötila, viskositeetti ja konsentraatio. Tämä tarjoaa mahdollisuuden säätää kaikkia näitä parametreja tavoitteenaan löytää ihanteelliset käsittelyparametrit kullekin tietylle materiaalille. Tämä parantaa tehokkuutta ja tehostaa tehokkuutta.

Ultrasound parantamaan fermentointiprosesseja, selitetään esimerkinomaisesti bioetanolin tuotannossa

Bioetanoli on biomassan tai biohajoavan jätteen hajoamisen anaerobisten tai aerobisten bakteerien hajoaminen. Tuotettua etanolia käytetään lähinnä biopolttoaineena. Tämä tekee bioetanolista uusiutuva ja ympäristöystävällinen vaihtoehto fossiilisille polttoaineille, kuten maakaasulle.
Etanolin tuottamiseksi biomassasta voidaan käyttää raaka-aineena sokeria, tärkkelystä ja lignoselluloosamateriaalia. Teollisuustuotannon koko, sokeri ja tärkkelys ovat tällä hetkellä vallitsevia, koska ne ovat taloudellisesti suotuisia.
Kuinka ultraääni parantaa tietyn raaka-aineen asiakaskohtaista prosessia tietyissä olosuhteissa voidaan kokeilla hyvin yksinkertaisia ​​toteutettavuustesteillä. Ensimmäisessä vaiheessa pieni määrä raaka-aineen lietettä ultraäänellä laboratoriolaite näyttää, jos ultraääni vaikuttaa syöttöaineistoon.

Toteutettavuustestaus

Ensimmäisessä testausvaiheessa on sopivaa ottaa käyttöön suhteellisen suuri määrä ultraäänienergiaa pieneen nestemäärään, jolloin sen mahdollisuus kasvaa, jotta voidaan nähdä, onko tuloksia mahdollista saada aikaan. Pieni näytemäärä myös lyhentää aikaa laboratoriolaitteella ja pienentää ensimmäisten testien kustannuksia.
Sonotrode-pinnan läpäisee ultraääni-aaltoja nesteeseen. Beneth sonotrode pinta, ultraääni intensiteetti on voimakkainta. Tällöin lyhyt etäisyys sonotrode ja sonicated materiaali ovat edullisia. Pienen nestemäärän ollessa alttiina, etäisyys sonotrodeista voidaan pitää lyhyenä.
Alla olevassa taulukossa on esitetty optisen optimoinnin jälkeiset sonikaatioprosessien tyypilliset energian / äänenvoimakkuustasot. Koska ensimmäisiä kokeita ei suoriteta optimaalisella konfiguraatiolla, sonication intensiteetti ja aika 10 - 50 kertaa tyypillinen arvo osoittavat, onko mitään vaikutusta sonicated materiaali vai ei.

Käsitellä asiaa

energia /

tilavuus

Näytteen määrä

teho

aika

Yksinkertainen

< 100Ws / ml

10 ml

50w

< 20 sekuntia

keskikokoinen

100 Ws / ml - 500 Ws / ml

10 ml

50w

20 - 100 sekuntia

kova

> 500Ws / ml

10 ml

50w

>100 s

pöytä 1 – Tyypilliset sonikointiarvot prosessin optimoinnin jälkeen

Testijaksojen todellinen tehonsyöttö voidaan tallentaa integroidun datan tallennuksen avulla (Uf200 ः t ja UP200St), PC-liitäntä tai powermeter. Yhdistettynä amplitudin asetusarvon ja lämpötilan tallennettuihin tietoihin voidaan arvioida kunkin koettimen tulokset ja määrittää energiaa / tilavuutta alaraja.
Jos testien aikana on valittu optimaalinen konfigurointi, tämä konfigurointitulos voitaisiin tarkistaa optimointivaiheen aikana ja se voitaisiin vihdoinkin laskea kaupalliselle tasolle. Optimoinnin helpottamiseksi on erittäin suositeltavaa tutkia sonikaation, esim. Lämpötilan, amplitudin tai energian / tilavuuden rajoja, myös tiettyihin formulaatioihin. Koska ultraääni voi tuottaa negatiivisia vaikutuksia soluihin, kemikaaleihin tai hiukkasiin, kunkin parametrin kriittiset tasot on tutkittava, jotta voidaan rajoittaa seuraavaa optimointia parametrialueelle, jossa negatiivisia vaikutuksia ei havaita. Toteutettavuustutkimuksessa suositellaan pieniä laboratorioita tai penkkiyksiköitä laitteiden ja näytteiden kulujen rajoittamiseksi tällaisissa kokeissa. Yleensä 100-1000 watin yksiköt toimivat hyvin toteutettavuustutkimuksen tarkoituksiin. (vrt. Hielscher 2005)

Ultrasonic processes are easy to optimize and to scale up. This turns ultrasonication into an highly potential processing alternative to high pressure homogenizers, pearl and bead mills or three-roll mills.

pöytä 1 – Tyypilliset sonikointiarvot prosessin optimoinnin jälkeen

optimointi

Toteutettavuustutkimusten aikana saadut tulokset saattavat osoittautua melko suurella energiankulutuksella käsiteltävän pienen tilavuuden osalta. Mutta toteutettavuustestin tarkoituksena on lähinnä osoittaa ultraäänen vaikutukset materiaaliin. Jos toteutettavuustestauksessa on havaittu positiivisia vaikutuksia, on tehtävä lisätoimia energian ja tilavuuden optimoimiseksi. Tämä tarkoittaa ultrasuuriparametrien ihanteellista kokoonpanoa, jotta saavutettaisiin mahdollisimman suuri tuotto mahdollisimman vähän energiaa käyttäen, jotta prosessi olisi taloudellisesti järkevin ja tehokas. Parhaan parametriasetuksen löytäminen – tavoitun hyödyn saaminen minimaalisella energiantulolla – tärkeimpien parametrien välinen korrelaatio amplitudi, paine, lämpötila ja neste koostumusta on tutkittava. Tässä toisessa vaiheessa suositellaan, että erän sonikaatiosta jatkuvaan sonikointiin asennetaan virtaussolureaktori, koska tärkeän paineen parametria ei voida vaikuttaa erän sonikointiin. Erän sonication aikana paine rajoitetaan ympäristön paineeseen. Jos sonikaatioprosessi kulkee paineistettavan virtaussolukammion kautta, paine voidaan nostaa (tai pienentää), mikä yleensä vaikuttaa ultrashow- kavitaatio rajusti. Virtauskennolla voidaan määrittää korrelaatio paineen ja prosessin tehokkuuden välillä. Ultraääniprosessorit välillä 500 wattia ja 2000 wattia ovat parhaiten optimoitaessa prosessia.

Fully controllable ultrasonic equipment allows for process optimization and completely linear scale-up

Kuva 2 - Virtauskaavio, jolla optimoidaan ultraääniprosessi

Asteittainen kaupallinen tuotanto

Jos optimaalinen kokoonpano on löytynyt, lisävaatimukset ovat yksinkertaisia, kun ultraäänitekniikat ovat täysin toistettavissa lineaarisella asteikolla. Tämä tarkoittaa sitä, että kun ultraääntä levitetään samanlaiseen nestemäiseen formulaatioon identtisen käsittelyparametrin konfiguraatiossa, tarvitaan sama energia per tilavuus samanlaisen tuloksen saavuttamiseksi riippumatta käsittelyn asteikosta. (Hielscher 2005). Tämä mahdollistaa optimaalisen ultraääniparametrien toteuttamisen täysimittaiseen kokoon. Käytännössä äänenvoimakkuus, jota voidaan käsitellä ultraäänellä, on rajoittamaton. Kaupallinen ultraääni - järjestelmät jopa 16000 wattia per yksikkö ovat käytettävissä, ja ne voidaan asentaa klustereihin. Tällaiset ultraääniprosessorien klusterit voidaan asentaa rinnakkain tai sarjaan. Suuritehoisten ultraääniprosessoreiden klusterin avulla koko teho on lähes rajoittamaton, joten suuria määriä virtoja voidaan käsitellä ongelmitta. Myös jos tarvitaan ultraäänijärjestelmän mukauttamista, esimerkiksi parametrien säätämiseksi muunnetulle nestemäiselle formulaatiolle, tämä voidaan tehdä useimmiten muuttamalla sonotrode-, booster- tai virtaussolua. Uuden tekniikan lineaarinen skaalautuvuus, uusittavuus ja sopeutumiskyky tekevät tästä innovatiivisesta teknologiasta tehokkaan ja kustannustehokkaan.

16kW ultrasonic machine for industrial processing of large volume streams, e.g. biodiesel, bioethanol, nano particle processing and manifold other applications.

Kuva 3 - Teollisuuden ultraääniprosessori UIP16000 16 000 watin teholla

Ultraäänikäsittelyn parametrit

Ultraääni-nesteen käsittelyä kuvataan lukuisilla parametreilla. Tärkeimpiä ovat amplitudi, paine, lämpötila, viskositeetti ja pitoisuus. Prosessin tulos, kuten hiukkaskoko, tietylle parametriryhmälle on energian funktio prosessoitua tilavuutta kohden. Toiminto muuttuu yksittäisten parametrien muutoksilla. Lisäksi ultraääniyksikön sonotrode-pinnan pinta-alan todellinen teho riippuu parametreista. Sonotrode-pinta-alan tehonlähde on pinta-intensiteetti (I). Pinta-intensiteetti riippuu amplitudi (A), paine (p), reaktorin tilavuus (VR), lämpötila (T), viskositeetti (η) ja muut.

Tärkeimmät ultraäänimittauksen parametrit ovat amplitudi (A), paine (p), reaktorin tilavuus (VR), lämpötila (T) ja viskositeetti (η).

Ultraäänikäsittelyn kavitaatiovaikutus riippuu pinta-intensiteetistä, jota kuvataan amplitudi (A), paine (p), reaktorin tilavuus (VR), lämpötila (T), viskositeetti (η) ja muut. Plus- ja miinusmerkit ilmaisevat erityisparametrin positiivisen tai negatiivisen vaikutuksen sonisointitehoon.

Luodun kavitaation vaikutus riippuu pinta-intensiteetistä. Samoin prosessin tulos korreloi. Ultraääniyksikön kokonaisteho on pinta-intensiteetin (I) ja pinta-alan (S) tuote:

P [W] minä [W / Mm²] * S[Mm²]

amplitudi

Värähtelyn amplitudi kuvaa tapaa (esim. 50 μm), että sonotrode-pinta kulkee tiettynä aikana (esim. 1/20 000 s 20 kHz: ssä). Mitä suurempi amplitudi, sitä korkeampi on nopeus, jolla paine laskee ja kasvaa jokaisella iskulla. Sen lisäksi kunkin iskun tilavuussiirtymä kasvaa, mikä johtaa suurempaan kavitaatiomäärään (kuplan koko ja / tai luku). Hajautettuina dispersioihin suuremmat amplitudit osoittavat suurempaa hajoamista kiinteisiin hiukkasiin. Taulukossa 1 esitetään yleiset arvot joillekin ultraääniprosesseille.

The ultrasound amplitude is an important process parameter.

Taulukko 2 – Yleiset suositukset amplitudeille

paine

Nesteen kiehumispiste riippuu paineesta. Mitä korkeampi paine on, sitä korkeampi on kiehumispiste ja taaksepäin. Korotettu paine mahdollistaa kavitaation kiehumispisteen läheisyydessä tai sen yläpuolella. Se lisää myös implosion voimakkuutta, joka liittyy staattisen paineen ja kuparin sisältämän höyryn paineen väliseen eroon (vrt. Vercet et ai., 1999). Koska ultraääni teho ja voimakkuus muuttuvat nopeasti paineen muutoksilla, vakionapainen pumppu on edullinen. Nestettä syöttäessä virtaussoluun pumpun pitäisi kyetä käsittelemään erityistä nestevirtausta sopivissa paineissa. Kalvo- tai kalvopumput; joustavat letkut, letkut tai puristuspumput; peristalttiset pumput; tai mäntä tai mäntäpumppu synnyttävät vaihtelevia paineenvaihteluita. Suositeltavat keskipakopumput, hammaspyöräpumput, kierrepumput ja progressiiviset ontelopumput, jotka tarjoavat nestettä, joka on sonicated jatkuvasti stabiiliin paineeseen. (Hielscher 2005)

Lämpötila

Sonicating nestettä, teho lähetetään väliaineeseen. Koska ultrasonaloittama värähtely aiheuttaa turbulensseja ja kitkaa, ultraääniöljy - termodynamiikan lain mukaan – lämpenee. Jalostetun väliaineen kohotetut lämpötilat voivat olla tuhoisat materiaaliin ja vähentävät ultraäänikavitaation tehokkuutta. Innovatiiviset ultraääni virtausolut on varustettu jäähdytysvaipalla (katso kuvaa). Tällä tavoin tarkka materiaalin lämpötilan kontrollointi ultraäänikäsittelyn aikana on annettu. Pienempien tilavuuksien keittämistä varten on suositeltavaa lämmittää jääkaappi.

Picture 3 – Ultrasonic transducer UIP1000hd (1000 watts) with flow cell equipped with cooling jacket – typical equipment for optimization steps or small scale production

Kuva 3 - Ultraäänianturi Uip1000hd (1000 wattia), jossa on virtauskanava, jossa on jäähdytysvaippa - tyypillisiä laitteita optimointivaiheille tai pienimuotoiselle tuotannolle

Viskositeetti ja pitoisuus

Ultraääni jyrsintä ja hajotus ovat nestemäisiä prosesseja. Hiukkasten on oltava suspensiossa, esim. Vedessä, öljyssä, liuottimissa tai hartseissa. Käyttämällä ultraääni-läpivirtausjärjestelmiä, on mahdollista soittaa hyvin viskoosia, tahmeaa materiaalia.
Tehokas ultraääniprosessori voidaan ajaa melko suurilla kiintoainepitoisuuksilla. Korkealla pitoisuudella saadaan aikaan ultraäänikäsittelyn tehokkuutta, koska ultrasuuntainen jyrsintävaikutus aiheutuu partikkelien törmäyksestä. Tutkimukset ovat osoittaneet, että piidioksidin rikkoutumisnopeus on riippumaton kiinteästä pitoisuudesta 50 painoprosenttiin asti. Erittäin tiivistetyn materiaalin suhdetta käyttävien pääeräprosessien käsittely on yleinen tuotantomenetelmä ultrasonication avulla.

Teho ja voimakkuus vs. energia

Pinta-intensiteetti ja kokonaisteho kuvaavat vain käsittelyn voimakkuutta. Sonikoitu näytevolyymi ja tiettyyn voimakkuuteen kohdistuva altistusaika on katsottava kuvaamaan sonikaatioprosessia skaalautuvuuden ja toistettavuuden tekemiseksi. Tietyllä parametriryhmällä prosessin tulos, esim. Hiukkaskoko tai kemiallinen muuntaminen, riippuu energian tilavuudesta (E / V).

Tulos = F (E /V )

Jos energia (E) on tuotoksen teho (P) ja altistumisen aika (t).

E[WS] = P[W] *T[S]

Parametrien kokoonpanon muutokset muuttavat tulosfunktiota. Tämä puolestaan ​​muuttaa tietyn näytteen arvon (V) tarvitseman energian määrää (E) saadakseen tiettyä tulosarvoa. Tästä syystä ei riitä tietyn ultraäänen voiman ottaminen käyttöön prosessiin tuloksen saamiseksi. Tarvitaan entistä kehittyneempi lähestymistapa vaadittavan tehon tunnistamiseksi ja parametrikonfiguraatiolle, jossa teho tulisi laittaa prosessimateriaaliin. (Hielscher 2005)

Ultrasonically Assisted Tuotanto bioetanolia

Tiedetään jo, että ultraääni parantaa bioetanolin tuotantoa. On suositeltavaa sakeuttaa neste biomassalla erittäin viskoosiin lietteeseen, joka on vielä pumpattava. Ultraäänireaktorit pystyvät käsittelemään melko suuria kiinteitä pitoisuuksia, jotta sonikaatioprosessia voidaan käyttää tehokkaimmin. Mitä enemmän ainetta on lietteessä, sitä vähemmän käsitellään nestemäistä nestettä, joka ei hyödy sonikaatioprosessista. Koska energian syöttö nesteenä aiheuttaa nestemäisen lämmityksen termodynamiikan lain mukaan, tämä tarkoittaa sitä, että ultraäänienergia syötetään kohdemateriaaliin mahdollisimman pitkälle. Tällaisella tehokkaalla prosessisuunnittelulla vältetään ylimääräisen kantaja-aineen tuhlaamaton lämmitys.
Ultrasound auttaa poisto solunsisäisestä materiaalista ja saa sen siten käyttöön entsymaattisen käymisen avulla. Lievä ultraäänihoito voi parantaa entsymaattista aktiivi- suutta, mutta biomassan uutto edellyttää voimakkaampaa ultraääntä. Tästä syystä entsyymit tulisi lisätä biomassalietteeseen sen jälkeen, kun sonikaatio on voimakasta ultraääni inaktivoi entsyymejä, mikä ei ole toivottua vaikutusta.

Tuoreet tulokset tieteellisellä tutkimuksella:

Yoswathana et ai. (2010) ovat osoittaneet, että happaman esikäsittelyn ja ultraäänen yhdistelmä ennen entsymaattista käsittelyä johtaa jopa 44 prosentin suuruiseen sokerituotantoon (riisin oljen perusteella). Tämä osoittaa fysikaalisen ja kemiallisen esikäsittelyn yhdistelmän tehokkuuden ennen lignoselluloosamateriaalin entsymaattista hydrolyysiä sokeriksi.

Kuvio 2 kuvaa ultraäänisäteilyn positiivisia vaikutuksia bioetanolin tuotannossa riisin oljesta graafisesti. (Hiilenäytettä on käytetty estämään esikäsitellyt näytteet happojen / entsyymien esikäsittelystä ja ultraäänikäsittelystä.)

Ultraäänipohjainen fermentaatio johtaa merkittävästi korkeampaan etanolituottoon. Bioetanoli on tuotettu riisilasista.

Kuvio 2 – Etanolin saannon ultronaarinen lisäys fermentaation aikana (Yoswathana et al. 2010)

Toisessa äskettäisessä tutkimuksessa on tutkittu ultraäänikäytön vaikutusta P-galaktosidaasientsyymien solunulkoisiin ja intrasellulaarisiin tasoihin. Sulaiman et ai. (2011) voisi parantaa bioetanolin tuotannon tuottavuutta merkittävästi käyttäen ultraääntä kontrolloidussa lämpötilassa, joka stimuloi Kluyveromyces marxianuksen hiivakasvua (ATCC 46537). Paperin laatijat jatkoivat, että jaksottainen sonikointi teho-ultraäänellä (20 kHz) työkierron ollessa ≤ 20% stimuloidusta biomassatuotannosta, laktoosimetabolian ja etanolin tuotannosta K. marxianusissa, suhteellisen korkea sonikoitumisintensiteetti 11,8 Wcm-2. Parhaissa olosuhteissa sonikaatio paransi lopullista etanolikonsentraatiota lähes 3,5-kertaiseksi suhteessa kontrolliin. Tämä vastasi 3,5-kertaista parannusta etanolin tuottavuudessa, mutta tarvitsi 952 W lisätehon syöttöä kuutiometriä kohti lietettä sonikaatiolla. Tämä ylimääräinen energiavaatimus oli varmasti bioreaktorien hyväksyttävissä operatiivisissa normeissa, ja suurille tuotteille voitaisiin helposti korvata lisääntynyt tuottavuus.

Johtopäätös: Edut ultrasonically-assisted fermentoinnista

Ultraäänikäsittely on osoitettu tehokkaaksi ja innovatiiviseksi tekniikaksi bioetanolin tuoton parantamiseksi. Ensisijaisesti ultraääntä käytetään solunsisäisen materiaalin ottamiseksi biomassasta, kuten maissista, soijapavuista, oljista, lignoselluloosasta tai kasviperäisistä jätemateriaaleista.

  • Bioetanolin tuoton kasvu
  • Disingaatio / solujen hajotus ja solun sisäisen materiaalin vapautuminen
  • Parempi anaerobinen hajoaminen
  • Entsyymien aktivointi lievällä sonikoinnilla
  • Prosessin tehokkuuden parantaminen suurilla lietteillä

Yksinkertainen testaus, toistettava mittakaava ja helppo asennus (myös jo olemassa olevalla tuotantovirralla) tekee ultrasonicsista kannattavan ja tehokkaan teknologian. Käytettävissä on luotettavia teollisia ultraääniprosessoreita kaupalliselle jalostukselle ja mahdollistavat käytännöllisesti rajoittamattoman nestemäärän sonikoimisen.

UIP1000hd Bench-Top Ultrasonic Homogenizer

Picure 4 - asennus 1000 W: n ultraääniprosessorilla Uip1000hd, virtaussolu, säiliö ja pumppu

Ota yhteyttä / kysy lisätietoja

Kerro meille käsittelyn vaatimuksista. Suosittelemme projektin sopivia asennus- ja käsittelyparametreja.





Huomaathan, että Tietosuojakäytäntö.


Kirjallisuus / Viitteet

  • Hielscher, T. (2005): Nano-koon emulsioiden ja dispersioiden ultraääni- tuotanto. in: Euroopan nanosysteemien konferenssin konferenssi ENS’05.
  • Jomdecha, C .; Prateepasen, A. (2006): Matala-ultraäänienergiaa koskeva tutkimus vaikuttaa hiivan kasvuun fermentointiprosessissa. Kello 12Th Aasian ja Tyynenmeren konferenssi NDT: stä, 5.-10.11.2006, Auckland, Uusi-Seelanti.
  • Kuldiloke, J. (2002): Entsyymitoiminnan ultraäänen, lämpötilan ja paineiden käsittelyn vaikutus hedelmä- ja kasvismehujen laatuindikaattoreihin; Ph.D. Opinnäytetyö Technische Universitätissä. Berliini, 2002.
  • Mokkila, M., Mustranta, A., Buchert, J., Poutanen, K. (2004): Teho-ultraäänen yhdistäminen entsyymien kanssa marjamehun jalostuksessa. At: 2nd Int. Conf. Elintarvikkeiden ja juomien biokatalyytti, 19.-22.9.2004, Stuttgart, Saksa.
  • Müller, MRA; Ehrmann, MA; Vogel, RF (2000): Multiplex PCR Lactobacillus pontisin ja kahden siihen liittyvän lajin detektoimiseksi hapan fermentaatiossa. soveltava & Ympäristön mikrobiologia. 66/5, 2000 s. 2113-2116.
  • Nikolic, S .; Mojovic, L .; Rakin, M .; Pejin, D .; Pejin, J. (2010): Ultraääni-avusteinen bioetanolin tuotanto maissijauhon samanaikaisella sakkaroitumisella ja fermentaatiolla. Julkaisussa: Food Chemistry 122/2010. s. 216-222.
  • Sulaiman, AZ; Ajit, A .; Yunus, RM; Cisti, Y. (2011): Ultrasound-avusteinen fermentointi parantaa bioetanolin tuottavuutta. Biochemical Engineering Journal 54/2011. s. 141-150.
  • Suslick, KS (1998): Kirk-Othmerin kemikaalitieteiden tietosanakirja. 4Th painos Wiley & Sons: New York, 1998. s. 517-541.
  • Yoswathana, N .; Phuriphipat, P .; Treyawutthiawat, P .; Eshtiaghi, MN (2010): Bioetanolin tuotanto Rice Strawista. Julkaisussa: Energy Research Journal 1/2010. S. 26-31.