Fermentation assistée par ultrasons pour la production de bioéthanol

La fermentation assistée par ultrasons peut améliorer la production de bioéthanol en favorisant la décomposition des hydrates de carbone complexes en sucres plus simples, ce qui les rend plus facilement disponibles pour la conversion de la levure en éthanol. Simultanément, la sonication améliore également l'efficacité de la perméabilité de la paroi cellulaire de la levure, ce qui permet une libération plus rapide de l'éthanol et une augmentation de la production globale. Ainsi, la fermentation du bioéthanol assistée par ultrasons permet d'obtenir des taux de conversion et des rendements plus élevés.

fermentation

La fermentation peut être un processus aérobie (= fermentation oxydative) ou anaérobie, qui est utilisé pour des applications biotechnologiques afin de convertir la matière organique par des cultures de cellules bactériennes, fongiques ou autres cultures biologiques ou par des enzymes. La fermentation permet d'extraire de l'énergie de l'oxydation de composés organiques, par exemple des hydrates de carbone.
Le sucre est le substrat le plus courant de la fermentation. Après la fermentation, on obtient des produits tels que l'acide lactique, le lactose, l'éthanol et l'hydrogène. Pour la fermentation alcoolique, l'éthanol est utilisé comme carburant, mais aussi pour les boissons alcoolisées. – est produit par la fermentation. Lorsque certaines souches de levure, telles que Saccharomyces cerevisiae En métabolisant le sucre, les cellules de levure transforment la matière première en éthanol et en dioxyde de carbone.

Les équations chimiques ci-dessous résument la conversion :

Si la matière première est de l'amidon, provenant par exemple du maïs, l'amidon doit d'abord être converti en sucre. Pour le bioéthanol utilisé comme carburant, l'hydrolyse de l'amidon est nécessaire. Généralement, l'hydrolyse est accélérée par un traitement acide ou enzymatique, ou par une combinaison des deux. Normalement, la fermentation s'effectue à une température d'environ 35-40 °C.
Vue d'ensemble des différents processus de fermentation :

Alimentation :

• Production & préservation
• les produits laitiers (fermentation lactique), par exemple le yaourt, le babeurre, le kéfir
• légumes fermentés lactiques, par exemple kimchi, miso, natto, tsukemono, choucroute
• le développement d'arômes, par exemple la sauce soja
• décomposition des agents tannants, par exemple le thé, le cacao, le café, le tabac
• les boissons alcoolisées, par exemple la bière, le vin, le whisky

Médicaments :

• la production de composés médicaux, par exemple l'insuline, l'acide hyaluronique

Biogaz/éthanol :

• amélioration de la production de biogaz/ bioéthanol

Différents travaux de recherche et tests en laboratoire et à l'échelle pilote ont montré que les ultrasons améliorent le processus de fermentation en rendant plus de biomasse disponible pour la fermentation enzymatique. Dans la section suivante, les effets des ultrasons dans un liquide seront détaillés.

Effets du traitement ultrasonique des liquides

Les ultrasons à haute puissance/basse fréquence permettent de générer des amplitudes élevées. Ainsi, les ultrasons à haute puissance/basse fréquence peuvent être utilisés pour le traitement des liquides tels que le mélange, l'émulsification, la dispersion et la désagglomération, ou le broyage.
Lors de la sonification de liquides à des intensités élevées, les ondes sonores qui se propagent dans le milieu liquide entraînent une alternance de cycles de haute pression (compression) et de basse pression (raréfaction), dont les taux dépendent de la fréquence. Pendant le cycle de basse pression, les ondes ultrasonores de haute intensité créent de petites bulles de vide ou des vides dans le liquide. Lorsque les bulles atteignent un volume tel qu'elles ne peuvent plus absorber d'énergie, elles s'effondrent violemment au cours d'un cycle de haute pression. Ce phénomène est appelé cavitation. cavitationc'est-à-dire “la formation, la croissance et l'effondrement implosif de bulles dans un liquide. L'effondrement cavitationnel produit un chauffage local intense (~5000 K), des pressions élevées (~1000 atm) et d'énormes taux de chauffage et de refroidissement (>109 K/sec)” et des courants-jets liquides (~400 km/h)". (Suslick 1998)

Il existe différents moyens de créer de la cavitation, tels que les buses à haute pression, les mélangeurs rotor-stator ou les processeurs à ultrasons. Dans tous ces systèmes, l'énergie d'entrée est transformée en friction, turbulences, ondes et cavitation. La fraction de l'énergie d'entrée qui est transformée en cavitation dépend de plusieurs facteurs décrivant le mouvement de l'équipement générateur de cavitation dans le liquide. L'intensité de l'accélération est l'un des facteurs les plus importants influençant la transformation efficace de l'énergie en cavitation. Une accélération plus forte crée des différences de pression plus importantes. Cela augmente la probabilité de création de bulles de vide au lieu de la création d'ondes se propageant dans le liquide. Ainsi, plus l'accélération est élevée, plus la fraction d'énergie transformée en cavitation est importante.
Dans le cas d'un transducteur ultrasonique, l'amplitude de l'oscillation décrit l'intensité de l'accélération. Des amplitudes plus élevées entraînent une création plus efficace de cavitation. Outre l'intensité, le liquide doit être accéléré de manière à créer un minimum de pertes en termes de turbulences, de friction et de génération d'ondes. Pour cela, le meilleur moyen est une direction unilatérale du mouvement. En modifiant l'intensité et les paramètres du processus de sonication, les ultrasons peuvent être très durs ou très doux. Cela fait des ultrasons un outil très polyvalent pour diverses applications.

Les applications douces, appliquant une sonication douce dans des conditions peu sévères, sont les suivantes dégazage, Émulsionet l'activation des enzymes. Les applications dures des ultrasons de haute intensité et de haute puissance (principalement sous pression élevée) sont les suivantes broyage humide, désagglomération & la réduction de la taille des particules, et Dispersion. Pour de nombreuses applications telles que Extraction, désintégration ou sonochimieL'intensité des ultrasons requise dépend du matériau spécifique à sonifier. Grâce à la variété des paramètres, qui peuvent être adaptés au processus individuel, les ultrasons permettent de trouver le point idéal pour chaque processus individuel.
Outre une conversion de puissance exceptionnelle, l'ultrasonication offre le grand avantage d'un contrôle total sur les paramètres les plus importants : Amplitude, pression, température, viscosité et concentration. Il est donc possible d'ajuster tous ces paramètres afin de trouver les paramètres de traitement idéaux pour chaque matériau spécifique. Il en résulte une plus grande efficacité ainsi qu'un rendement optimisé.

Les ultrasons pour améliorer les processus de fermentation, expliqués de manière exemplaire avec la production de bioéthanol

Le bioéthanol est un produit de la décomposition de la biomasse ou des matières biodégradables des déchets par des bactéries anaérobies ou aérobies. L'éthanol produit est principalement utilisé comme biocarburant. Le bioéthanol est donc une alternative renouvelable et respectueuse de l'environnement aux combustibles fossiles, tels que le gaz naturel.
Pour produire de l'éthanol à partir de la biomasse, le sucre, l'amidon et les matières lignocellulosiques peuvent être utilisés comme matières premières. Pour la production industrielle, le sucre et l'amidon sont actuellement prédominants car ils sont économiquement favorables.
L'amélioration par les ultrasons d'un processus personnalisé avec des matières premières spécifiques dans des conditions données peut être testée très simplement par des essais de faisabilité. Dans un premier temps, la sonication d'une petite quantité de boue de matière première à l'aide d'un appareil à ultrasons est nécessaire. appareil de laboratoire Si les ultrasons ont une incidence sur les matières premières, l'analyse de l'impact sur l'environnement le montrera.

essais de faisabilité

Lors de la première phase d'essai, il convient d'introduire une quantité relativement élevée d'énergie ultrasonique dans un petit volume de liquide, ce qui permet d'augmenter les chances d'obtenir des résultats. Un petit volume d'échantillon permet également de réduire le temps d'utilisation d'un appareil de laboratoire et de diminuer les coûts des premiers essais.
Les ondes ultrasonores sont transmises par la surface de la sonotrode dans le liquide. C'est à la surface de la sonotrode que l'intensité des ultrasons est la plus forte. C'est pourquoi il est préférable que les distances entre la sonotrode et le matériau sonifié soient courtes. Lorsqu'un petit volume de liquide est exposé, la distance de la sonotrode peut être réduite.
Le tableau ci-dessous indique les niveaux d'énergie/volume typiques pour les processus de sonification après optimisation. Étant donné que les premiers essais ne seront pas effectués dans une configuration optimale, l'intensité et la durée de la sonication de 10 à 50 fois par rapport à la valeur typique montreront s'il y a ou non un effet sur le matériau sonifié.

Processus	Énergie/ volume	Volume de l'échantillon	Puissance	L'heure
simple	< 100Ws/mL	10mL	50W	< 20 secondes
Moyen	100Ws/mL à 500Ws/mL	10mL	50W	20 à 100 secondes
Dur	> 500Ws/mL	10mL	50W	>100 sec

Tableau 1 – Valeurs de sonication typiques après optimisation du processus

La puissance réelle absorbée lors des essais peut être enregistrée grâce à l'enregistrement intégré des données (UP200Ht et UP200St), par interface PC ou par powermeter. En combinaison avec les données enregistrées sur le réglage de l'amplitude et la température, les résultats de chaque essai peuvent être évalués et un bilan de l'énergie/du volume peut être établi.
Si, au cours des essais, une configuration optimale a été choisie, ses performances peuvent être vérifiées au cours d'une étape d'optimisation et peuvent finalement être mises à l'échelle au niveau commercial. Pour faciliter l'optimisation, il est fortement recommandé d'examiner les limites de la sonication, par exemple la température, l'amplitude ou l'énergie/volume pour des formulations spécifiques. Les ultrasons pouvant avoir des effets négatifs sur les cellules, les produits chimiques ou les particules, les niveaux critiques de chaque paramètre doivent être examinés afin de limiter l'optimisation suivante à la gamme de paramètres où les effets négatifs ne sont pas observés. Pour l'étude de faisabilité, il est recommandé d'utiliser de petites unités de laboratoire ou de paillasse afin de limiter les dépenses liées à l'équipement et aux échantillons dans le cadre de ces essais. En général, les unités de 100 à 1 000 watts répondent très bien aux besoins de l'étude de faisabilité. (cf. Hielscher 2005)

optimisation

Les résultats obtenus au cours des études de faisabilité peuvent montrer une consommation d'énergie assez élevée par rapport au petit volume traité. Mais l'objectif de l'essai de faisabilité est avant tout de montrer les effets des ultrasons sur le matériau. Si les essais de faisabilité révèlent des effets positifs, il faut poursuivre les efforts pour optimiser le rapport énergie/volume. Cela signifie qu'il faut étudier la configuration idéale des paramètres des ultrasons pour obtenir le rendement le plus élevé en utilisant le moins d'énergie possible afin de rendre le procédé économiquement le plus raisonnable et le plus efficace. Pour trouver la configuration optimale des paramètres – l'obtention des avantages escomptés avec un apport énergétique minimal - la corrélation entre les paramètres les plus importants amplitude, pression, température et liquide doivent être étudiés. Dans cette deuxième étape, il est recommandé de passer d'une sonication par lots à une sonication en continu avec un réacteur à cellules d'écoulement, car le paramètre important de la pression ne peut pas être influencé pour la sonication par lots. Pendant la sonication par lots, la pression est limitée à la pression ambiante. Si le processus de sonication passe par une chambre à cellules d'écoulement pressurisable, la pression peut être augmentée (ou réduite), ce qui affecte généralement les ultrasons. cavitation drastiquement. L'utilisation d'une cellule d'écoulement permet de déterminer la corrélation entre la pression et l'efficacité du processus. Les processeurs à ultrasons entre 500 watts et 2000 watts de puissance sont les plus appropriés pour optimiser un processus.

Passage à la production commerciale

Si la configuration optimale a été trouvée, la mise à l'échelle ultérieure est simple car les procédés ultrasoniques sont des procédés de fabrication. entièrement reproductible sur une échelle linéaire. Cela signifie que lorsque les ultrasons sont appliqués à une formulation liquide identique dans une configuration de paramètres de traitement identique, la même énergie par volume est nécessaire pour obtenir un résultat identique, indépendamment de l'échelle de traitement. (Hielscher 2005). Il est donc possible de mettre en œuvre la configuration optimale des paramètres des ultrasons jusqu'à la taille de production à grande échelle. Le volume pouvant être traité par ultrasons est pratiquement illimité. Les systèmes commerciaux à ultrasons avec jusqu'à 16 000 watts par unité sont disponibles et peuvent être installés en grappes. Ces groupes de processeurs ultrasoniques peuvent être installés en parallèle ou en série. L'installation en grappe de processeurs ultrasoniques de grande puissance permet d'obtenir une puissance totale pratiquement illimitée, de sorte que des flux de grand volume peuvent être traités sans problème. De même, si une adaptation du système ultrasonique est nécessaire, par exemple pour ajuster les paramètres à une formulation liquide modifiée, cela peut être fait en changeant de sonotrode, de booster ou de cellule d'écoulement. L'extensibilité linéaire, la reproductibilité et l'adaptabilité des ultrasons rendent cette technologie innovante efficace et rentable.

Paramètres du traitement par ultrasons

Le traitement des liquides par ultrasons est décrit par un certain nombre de paramètres. Les plus importants sont l'amplitude, la pression, la température, la viscosité et la concentration. Le résultat du processus, tel que la taille des particules, pour une configuration de paramètres donnée est une fonction de l'énergie par volume traité. Cette fonction varie en fonction des modifications apportées aux différents paramètres. En outre, la puissance de sortie réelle par surface de la sonotrode d'un appareil à ultrasons dépend des paramètres. La puissance de sortie par surface de la sonotrode est l'intensité de surface (I). L'intensité de surface dépend de l'amplitude (A), de la pression (p), du volume du réacteur (VR), de la température (T), de la viscosité (η) et d'autres paramètres.

L'impact de la cavitation générée dépend de l'intensité de la surface. De la même manière, le résultat du processus est corrélé. La puissance totale de sortie d'un appareil à ultrasons est le produit de l'intensité de la surface (I) et de la surface (S) :

p [w] i [w / mm²]* s[mm²]

amplitude

L'amplitude de l'oscillation décrit la distance (par exemple 50 µm) parcourue par la surface de la sonotrode en un temps donné (par exemple 1/20 000s à 20kHz). Plus l'amplitude est grande, plus la vitesse à laquelle la pression diminue et augmente à chaque coup est élevée. En outre, le déplacement du volume de chaque course augmente, ce qui se traduit par un volume de cavitation plus important (taille et/ou nombre de bulles). Lorsqu'elles sont appliquées à des dispersions, les amplitudes plus élevées ont un effet destructeur plus important sur les particules solides. Le tableau 1 présente des valeurs générales pour certains procédés ultrasoniques.

pression

Le point d'ébullition d'un liquide dépend de la pression. Plus la pression est élevée, plus le point d'ébullition est élevé, et inversement. Une pression élevée permet la cavitation à des températures proches ou supérieures au point d'ébullition. Elle augmente également l'intensité de l'implosion, qui est liée à la différence entre la pression statique et la pression de vapeur à l'intérieur de la bulle (cf. Vercet et al. 1999). Comme la puissance et l'intensité des ultrasons changent rapidement avec les variations de pression, il est préférable d'utiliser une pompe à pression constante. Lors de l'alimentation en liquide d'une cellule d'écoulement, la pompe doit être capable de traiter le débit de liquide spécifique à des pressions appropriées. Les pompes à membrane ou à diaphragme, les pompes à tube flexible, à tuyau ou à compression, les pompes péristaltiques, les pompes à piston ou à piston plongeur créent des fluctuations de pression alternées. Les pompes centrifuges, les pompes à engrenages, les pompes à spirale et les pompes à cavité progressive qui fournissent le liquide à sonifier à une pression stable et continue sont préférables. (Hielscher 2005)

température

En sonifiant un liquide, on transmet de l'énergie au milieu. Comme les oscillations générées par les ultrasons provoquent des turbulences et des frottements, le liquide sonifié - conformément à la loi de la thermodynamique - est soumis à des vibrations. – s'échauffe. Les températures élevées du milieu traité peuvent être destructrices pour le matériau et réduire l'efficacité de la cavitation ultrasonique. Les cellules d'écoulement à ultrasons innovantes sont équipées d'une enveloppe de refroidissement (voir photo). Cela permet de contrôler avec précision la température du matériau pendant le traitement par ultrasons. Pour la sonification de petits volumes dans un bécher, il est recommandé d'utiliser un bain de glace pour la dissipation de la chaleur.

Viscosité et concentration

ultrasonique fraisage et Dispersion sont des procédés liquides. Les particules doivent être en suspension, par exemple dans de l'eau, de l'huile, des solvants ou des résines. L'utilisation de systèmes à ultrasons à écoulement continu permet de sonifier des matières très visqueuses et pâteuses.
Le processeur ultrasonique à haute puissance peut fonctionner à des concentrations de solides assez élevées. Une concentration élevée assure l'efficacité du traitement ultrasonique, car l'effet de broyage ultrasonique est causé par la collision entre les particules. Des études ont montré que le taux de rupture de la silice est indépendant de la concentration en solides jusqu'à 50 % en poids. Le traitement de lots principaux avec un rapport de matériau hautement concentré est une procédure de production courante utilisant l'ultrasonication.

Puissance et intensité vs. énergie

L'intensité de surface et la puissance totale ne décrivent que l'intensité du traitement. Le volume de l'échantillon sonifié et le temps d'exposition à une certaine intensité doivent être pris en compte pour décrire un processus de sonification afin de le rendre évolutif et reproductible. Pour une configuration de paramètres donnée, le résultat du processus, par exemple la taille des particules ou la conversion chimique, dépend de l'énergie par volume (E/V).

Résultat = F (E /V )

L'énergie (E) est le produit de la puissance de sortie (P) et du temps d'exposition (t).

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

Les changements dans la configuration des paramètres modifient la fonction de résultat. La quantité d'énergie (E) nécessaire pour une valeur d'échantillon donnée (V) afin d'obtenir une valeur de résultat spécifique variera à son tour. C'est pourquoi il ne suffit pas de déployer une certaine puissance d'ultrasons dans un processus pour obtenir un résultat. Une approche plus sophistiquée est nécessaire pour identifier la puissance requise et la configuration des paramètres à laquelle la puissance doit être appliquée au matériau du processus. (Hielscher 2005)

Production de bioéthanol assistée par ultrasons

On sait déjà que les ultrasons améliorent la production de bioéthanol. Il est recommandé d'épaissir le liquide avec de la biomasse pour obtenir une boue très visqueuse qui peut encore être pompée. Les réacteurs à ultrasons peuvent traiter des concentrations solides assez élevées, de sorte que le processus de sonication peut être exécuté de la manière la plus efficace possible. Plus la boue contient de matières, moins le liquide porteur, qui ne profitera pas du processus de sonication, sera traité. Comme l'apport d'énergie dans un liquide provoque un réchauffement du liquide selon la loi de la thermodynamique, cela signifie que l'énergie ultrasonique est appliquée à la matière cible, dans la mesure du possible. Cette conception efficace du processus permet d'éviter le réchauffement inutile de l'excès de liquide porteur.
L'échographie aide le Extraction de la matière intracellulaire et la rend ainsi disponible pour la fermentation enzymatique. Un traitement aux ultrasons doux peut renforcer l'activité enzymatique, mais pour l'extraction de la biomasse, des ultrasons plus intenses seront nécessaires. Par conséquent, les enzymes doivent être ajoutées à la boue de biomasse après la sonication, car les ultrasons intenses inactivent les enzymes, ce qui n'est pas l'effet recherché.

Résultats actuels de la recherche scientifique :

Les études de Yoswathana et al. (2010) concernant la production de bioéthanol à partir de la paille de riz ont montré que la combinaison d'un prétraitement acide et ultrasonique avant le traitement enzymatique a permis d'augmenter le rendement en sucre jusqu'à 44% (sur la base de la paille de riz). Cela montre l'efficacité de la combinaison des prétraitements physiques et chimiques avant l'hydrolyse enzymatique des lignocelluloses en sucre.

Le graphique 2 illustre les effets positifs de l'irradiation ultrasonique pendant la production de bioéthanol à partir de la paille de riz. (Le charbon de bois a été utilisé pour détoxifier les échantillons prétraités à partir d'un prétraitement acide/enzymatique et d'un prétraitement par ultrasons).

Dans une autre étude récente, l'influence des ultrasons sur les niveaux extracellulaires et intracellulaires de l'enzyme β-galactosidase a été examinée. Sulaiman et al. (2011) ont pu améliorer considérablement la productivité de la production de bioéthanol en utilisant des ultrasons à une température contrôlée pour stimuler la croissance de la levure Kluyveromyces marxianus (ATCC 46537). Les auteurs de l'article affirment que la sonication intermittente avec des ultrasons de puissance (20 kHz) à des cycles de service de ≤20% a stimulé la production de biomasse, le métabolisme du lactose et la production d'éthanol chez K. marxianus à une intensité de sonication relativement élevée de 11,8 Wcm.^-2. Dans les meilleures conditions, la sonication a augmenté la concentration finale d'éthanol de près de 3,5 fois par rapport au contrôle. Cela correspond à une augmentation de 3,5 fois de la productivité de l'éthanol, mais nécessite 952 W d'énergie supplémentaire par mètre cube de bouillon grâce à la sonication. Ce besoin supplémentaire en énergie était certainement dans les normes opérationnelles acceptables pour les bioréacteurs et, pour les produits de grande valeur, pouvait être facilement compensé par l'augmentation de la productivité.

Conclusion : Avantages de la fermentation assistée par ultrasons

Le traitement par ultrasons s'est révélé être une technique efficace et innovante pour améliorer le rendement en bioéthanol. Les ultrasons sont principalement utilisés pour extraire les matières intracellulaires de la biomasse, comme le maïs, le soja, la paille, les matières ligno-cellulosiques ou les déchets végétaux.

• Augmentation du rendement en bioéthanol
• Désintégration/ Destruction des cellules et libération du matériel intracellulaire
• Amélioration de la décomposition anaérobie
• Activation des enzymes par sonication douce
• Amélioration de l'efficacité des procédés grâce à des boues à haute concentration

La simplicité des essais, la reproductibilité de la mise à l'échelle et la facilité d'installation (y compris dans les flux de production existants) font des ultrasons une technologie rentable et efficace. Des processeurs industriels à ultrasons fiables sont disponibles pour le traitement commercial et permettent de soniquer des volumes de liquides pratiquement illimités.