Technologie des ultrasons Hielscher

Fermentation assistée par ultrasons pour la production Bioéthanol

Fermentation

La fermentation peut être un aérobie (= fermentation oxydant) ou d'un procédé anaérobie, qui est utilisé pour des applications biotechnologiques pour convertir la matière organique par des bactéries, des champignons ou d'autres cultures de cellules biologiques ou par des enzymes. Par fermentation, l'énergie est extraite de l'oxydation de composés organiques, par exemple les glucides.

Le sucre est le substrat le plus commun de la fermentation, après la fermentation résultante dans des produits tels que l'acide lactique, le lactose, l'éthanol et de l'hydrogène. Pour la fermentation alcoolique, l'éthanol - en particulier pour une utilisation comme carburant, mais aussi pour les boissons alcoolisées – est produit par la fermentation. Lorsque certaines souches de levure, telles que Saccharomyces cerevisiae métaboliser le sucre, les cellules de levure convertissent le matériau de départ en éthanol et en dioxyde de carbone.

Les équations chimiques ci-dessous résument la conversion:

Dans la production de bioéthanol commun, le sucre est transformé par fermentation en acide lactique, le lactose, l'éthanol et de l'hydrogène.

Les équations chimiques résument la conversion au bioéthanol.

Si la matière de départ est de l'amidon, par exemple, à partir de maïs, d'une part l'amidon doit être converti en sucre. Pour le bioéthanol utilisé comme combustible, hydrolyse pour la conversion de l'amidon est nécessaire. En général, l'hydrolyse est accélérée par traitement acide ou enzymatique ou par combinaison des deux. Normalement, la fermentation est effectuée à environ 35-40 ° C.
Vue d'ensemble sur divers processus de fermentation:

Aliments :

  • Production & préservation
  • laitier (de fermentation d'acide lactique), par exemple yaourt, le babeurre, le kéfir
  • légumes fermentés lactique, par exemple, le kimchi, le miso, du natto, tsukemono, choucroute
  • le développement de composés aromatiques, par exemple sauce soja
  • décomposition des agents de tannage, par exemple le thé, le cacao, le café, le tabac
  • les boissons alcoolisées, par exemple, bière, vin, whisky

Drogues :

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

Biogaz / éthanol:

  • amélioration du biogaz / production de bioéthanol

Divers travaux de recherche et des tests in paillasse et la taille pilote ont montré que les ultrasons permet d'améliorer le processus de fermentation en faisant plus de biomasse disponible pour la fermentation enzymatique. Dans la section suivante, les effets des ultrasons dans un liquide seront élaborés.

réacteurs à ultrasons augmentent le rendement du biodiesel et le traitement effiency!

Le bioéthanol peut être produit à partir de tiges de tournesol, le maïs, la canne à sucre, etc.

Effets de traitement par ultrasons liquide

En amplitudes des ultrasons de haute puissance / basse fréquence élevée peuvent être produits. De ce fait, à haute puissance / ultrasons à basse fréquence peut être utilisé pour le traitement des liquides tels que le mélange, émulsifiants, dispersants et désagglomération ou broyage.
Lorsque sonication des liquides à des intensités élevées, les ondes sonores qui se propagent dans le milieu liquide conduisent à haute pression alternée (compression) et basse pression (cycles de raréfaction), avec des taux en fonction de la fréquence. Au cours du cycle à basse pression, les ondes ultrasonores à haute intensité créent de petites bulles de vide ou des vides dans le liquide. Quand les bulles atteignent un volume auquel ils ne peuvent plus absorber l'énergie, ils s'effondrent violemment pendant un cycle haute pression. Ce phénomène est appelé cavitation. cavitation, C'est “la formation, la croissance et l'effondrement implosive de bulles dans un liquide. effondrement cavitationnel produit un échauffement local intense (~ 5000 K), de fortes pressions (~ 1000 atm), et le chauffage énorme et de refroidissement (>109 K / sec)” et des jets de liquide (~ 400 km / h) ». (Suslick 1998)

Structure chimique de l'éthanol

Formule développée de l'éthanol

Il existe différents moyens de créer une cavitation, tels que des buses à haute pression, des mélangeurs rotor-stator ou des 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 élevée crée des différences de pression plus élevées. Cela augmente à son tour la probabilité de création de bulles de vide au lieu de la création d'ondes se propageant à travers le liquide. Ainsi, plus l'accélération est élevée, plus la fraction de l'énergie transformée en cavitation est élevée.
Dans le cas d'un transducteur à ultrasons, l'amplitude d'oscillation décrit l'intensité de l'accélération. amplitudes plus élevées se traduisent par une création plus efficace de cavitation. En plus de l'intensité, le liquide doit être accélérée de façon à créer des pertes minimales en termes de turbulences, la friction et la génération d'ondes. Pour cela, la meilleure façon est une direction unilatérale du mouvement. Changement de l'intensité et les paramètres du processus de sonication, les ultrasons peut être très difficile ou très doux. Cela fait une échographie outil très polyvalent pour diverses applications.
Compact and powerful ultrasonic lab devices allow for simple testings in small scale to evaluate process feasibility

Image 1 – dispositif de laboratoire à ultrasons UP100H (100 watts) pour les tests de faisabilité

applications souples, en appliquant sonication douce dans des conditions douces, comprennent dégazage, ÉmulsionEt l'activation de l'enzyme. applications durs à haute intensité / haute ultrasons de puissance (le plus souvent sous pression élevée) sont Mouture humide, désagglomération & la réduction de la taille des particules, et Dispersion. Pour de nombreuses applications telles que Extraction, La désintégration ou sonochimie, L'intensité ultrasonique demandé dépend du matériau spécifique à sonication. Par le choix des paramètres, qui peut être adapté au processus individuel, l'échographie permet de trouver le sweet spot pour chaque processus individuel.
Outre une conversion de puissance exceptionnelle, offre ultrasonication le grand avantage de contrôle total sur les paramètres les plus importants: Amplitude, pression, température, viscosité, et la concentration. Cela offre la possibilité de régler tous ces paramètres avec l'objectif de trouver les paramètres de traitement idéal pour chaque matériau spécifique. Il en résulte plus grande efficacité ainsi que l'efficacité optimisée.

L'échographie pour améliorer les processus de fermentation, a expliqué exemplairement avec la production de bioéthanol

Le bioéthanol est un produit de la décomposition de la biomasse ou la matière biodégradable des déchets par des bactéries anaérobies ou aérobies. L'éthanol produit est principalement utilisé comme biocarburant. Cela rend bioéthanol une alternative renouvelable et respectueuse de l'environnement pour les combustibles fossiles, comme le gaz naturel.
Pour produire de l'éthanol à partir de biomasse, le sucre, l'amidon et la matière lignocellulosique peut être utilisé comme charge d'alimentation. Pour la taille de la production industrielle, le sucre et l'amidon sont actuellement prédominante car ils sont économiquement favorables.
Comment l'échographie améliore un processus client individuel avec matière première spécifique dans des conditions données peuvent être essayées très simple par des tests de faisabilité. Dans un premier temps, la sonication d'une petite quantité de la bouillie de matière première avec un ultrasons appareil de laboratoire montrera, si l'échographie n'affecte la charge.

Test de faisabilité

Dans la première phase de test, il convient d'introduire une quantité relativement élevée d'énergie ultrasonique dans un petit volume de liquide que de ce fait l'augmentation de la possibilité de voir si les résultats peuvent être obtenus. Un petit volume d'échantillon réduit également le temps à l'aide d'un dispositif de laboratoire et permet de réduire les coûts pour les premiers tests.
Les ondes ultrasonores sont transmises par la surface de la sonotrode dans le liquide. Beneth la surface de la sonotrode, l'intensité des ultrasons est plus intense. De ce fait, sur de courtes distances entre la sonotrode et le matériel soniqué sont préférés. Quand un petit volume de liquide est exposé, la distance de la sonotrode peut être court.
Le tableau ci-dessous montre l'énergie typique / niveaux de volume pour les processus de sonication après optimisation. Depuis les premiers essais ne seront pas exécutées à la configuration optimale, l'intensité de sonication et le temps de 10 à 50 fois la valeur typique montrera s'il y a un effet au matériel obtenu ou non.

Processus

Énergie/

le volume

Volume d'échantillon

Puissance

temps

Simple

< 100Ws / mL

10 ml

50W

< 20 sec

Moyen

100Ws / mL à 500Ws / mL

10 ml

50W

20 à 100 sec

Difficile

> 500Ws / mL

10 ml

50W

>100 s

Tableau 1 – valeurs typiques sonication après l'optimisation des processus

L'entrée de puissance réelle des pistes de test peuvent être enregistrées via l'enregistrement de données intégré (UP200Ht et UP200St), PC-interface ou par wattmètre. En combinaison avec les données enregistrées de réglage d'amplitude et de la température, les résultats de chaque essai peuvent être évalués et une ligne de fond pour l'énergie / volume peut être mis en place.
Si au cours des tests une configuration optimale a été choisie, cette performance de configuration pourrait être vérifiée lors d'une étape d'optimisation et pourrait être finalement étendue 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. Comme les ultrasons peuvent générer des effets négatifs sur les cellules, les produits chimiques ou les particules, les niveaux critiques pour chaque paramètre doivent être examinés afin de limiter l'optimisation suivante à la plage de paramètres où les effets négatifs ne sont pas observés. Pour l'étude de faisabilité, de petites unités de laboratoire ou de paillasse sont recommandées pour limiter les dépenses d'équipement et d'échantillons dans ces essais. Généralement, les unités de 100 à 1 000 watts répondent très bien aux objectifs de l'étude de faisabilité. (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.

Tableau 1 – valeurs typiques sonication après l'optimisation des processus

Optimisation

Les résultats obtenus au cours des études de faisabilité peuvent présenter une consommation d'énergie très élevée en ce qui concerne le petit volume traité. Mais le but du test de faisabilité est avant tout de montrer les effets des ultrasons sur le matériau. En cas de faisabilité test des effets positifs a eu lieu, de nouveaux efforts doivent être faits pour optimiser le rapport énergie / volume. Cela signifie pour explorer la configuration idéale des paramètres d'ultrasons pour obtenir le meilleur rendement en utilisant moins d'énergie possible pour rendre le processus économiquement la plus raisonnable et efficace. Pour trouver la configuration optimale des paramètres – obtenir les avantages escomptés avec un apport énergétique minimal - la corrélation entre les paramètres les plus importants amplitude, pression, température et liquide composition doivent être étudiés. Dans cette deuxième étape, le changement de sonication par lots à une configuration de sonication continue avec réacteur à cellule d'écoulement est recommandé comme paramètre important de la pression ne peut pas être influencée par sonication par lots. Au cours de sonication dans un lot, la pression est limitée à la pression ambiante. Si le processus de sonication passe d'une chambre de la cellule d'écoulement sous pression, la pression peut être augmentée (ou diminuée), qui affecte généralement la ultrasonore cavitation de manière drastique. En utilisant une cellule d'écoulement, la corrélation entre la pression et l'efficacité du procédé peut être déterminé. processeurs à ultrasons entre 500 watts et 2000 watts de puissance sont les plus appropriés pour optimiser un processus.

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

Image 2 - Tableau de flux pour l'optimisation d'un processus par ultrasons

Mise à l'échelle de la production commerciale

Si la configuration optimale a été trouvée, la plus mise à l'échelle est simple comme ultra-sons sont entièrement reproductible sur une échelle linéaire. Cela signifie que lorsque des 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). Cela permet de mettre en œuvre la configuration optimale des paramètres de l'ultrason à la taille de production à pleine échelle. Virtuellement, le volume qui peut être traité par ultrasons est illimité. Systèmes à ultrasons commerciaux avec jusqu'à 16.000 watts par unité sont disponibles et peuvent être installés en grappes. Ces grappes de processeurs à ultrasons peuvent être installés en parallèle ou en série. Par l'installation sage grappe de processeurs à ultrasons haute puissance, la puissance totale est presque illimitée de sorte que les flux de volume élevé peuvent être traités sans problème. Aussi, si une adaptation du système à ultrasons est nécessaire, par exemple, pour ajuster les paramètres à une formulation liquide modifié, cela peut se faire en changeant principalement sonotrode, booster ou une cellule d'écoulement. L'évolutivité linéaire, la reproductibilité et l'adaptabilité des ultrasons font de cette technologie innovante efficace et rentable.

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

Image 3 - processeur à ultrasons industriel UIP16000 avec 16.000 watts de puissance

Paramètres de traitement par ultrasons

Le traitement par ultrasons de liquide 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 paramètre donnée est une fonction de l'énergie par volume traité. La fonction change avec des modifications dans les paramètres individuels. En outre, la puissance de sortie réelle par surface de la sonotrode d'une unité à ultrasons dépend des paramètres. La puissance de sortie par surface de la sonotrode est l'intensité de surface (I). L'intensité de la 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.

Les paramètres les plus importants de traitement à ultrasons comprennent amplitude (A), la pression (p), le volume du réacteur (VR), la température (T), et la viscosité (η).

L'impact de cavitation de traitement par ultrasons dépend de l'intensité de surface qui est decribed par l'amplitude (A), la pression (p), le volume du réacteur (VR), la température (T), la viscosité (η) et d'autres. Les signes plus et moins indiquent une influence positive ou négative du paramètre spécifique sur l'intensité de sonication.

L'impact de la cavitation produite dépend de l'intensité de la surface. De la même manière, le résultat de processus est en corrélation. La puissance de sortie totale d'une unité à ultrasons est le produit de l'intensité de la surface (I) et l'aire de surface (S):

P [W] je [W / mm²] * S[mm²]

étendue

L'amplitude d'oscillation décrit le chemin (par exemple 50 um) de la surface se déplace de la sonotrode dans un temps donné (par exemple 1 / 20,000s à 20 kHz). Plus l'amplitude est élevé, plus la vitesse à laquelle les bras inférieurs de pression et augmente à chaque course. En plus de cela, le déplacement de volume de chaque course augmentations résultant dans un volume de cavitation plus grande (taille des bulles et / ou numéro). Appliqué à des dispersions, des amplitudes plus élevées montrent une destructivité plus de particules solides. Le tableau 1 présente les valeurs générales pour certains ultrasons.

The ultrasound amplitude is an important process parameter.

Tableau 2 – Recommandations générales pour Amplitudes

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. Il 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 (voir Vercet et al., 1999). Puisque la puissance ultrasonique et l'intensité changent rapidement avec les changements de pression, une pompe à pression constante est préférable. Lors de l'alimentation en liquide d'une cellule d'écoulement, la pompe doit être capable de gérer le flux de liquide spécifique à des pressions appropriées. Pompes à diaphragme ou à membrane; les pompes à tubes flexibles, flexibles ou à compression; pompes péristaltiques; ou la pompe à piston ou à plongeur crée des fluctuations de pression alternées. Les pompes centrifuges, les pompes à engrenages, les pompes spirales et les pompes à cavité progressive qui fournissent le liquide à soniquer à une pression continuellement stable sont préférées. (Hielscher 2005)

Température

Par sonication un liquide, la puissance est transmise dans le milieu. Comme oscillation générée par ultrasons provoque des turbulences et par friction, le liquide soniqué - conformément à la loi de la thermodynamique – réchauffera. Les températures élevées du milieu traité peut être destructeur pour le matériel et diminuer l'efficacité de la cavitation par ultrasons. les cellules d'écoulement à ultrasons novateurs sont équipés d'une chemise de refroidissement (voir le tableau). En cela, le contrôle précis sur la température du matériau pendant le traitement par ultrasons est donné. Pour le sonication bécher de petits volumes un bain de glace pour la dissipation thermique est recommandée.

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

Image 3 - transducteur à ultrasons UIP1000hd (1000 watts) avec cellule d'écoulement équipé d'une enveloppe de refroidissement - équipement typique pour les étapes d'optimisation ou la production à petite échelle

La viscosité et la concentration

Ultrasonique fraisage et Dispersion sont des processus liquides. Les particules doivent être dans une suspension, par exemple, Dans l'eau, l'huile, des solvants ou des résines. Par l'utilisation de systèmes d'écoulement à travers ultrasons, il devient possible de sonication très visqueuse, la matière pâteuse.
processeur à ultrasons de haute puissance peut être exécuté à des concentrations de solides relativement élevées. Une concentration élevée fournit l'efficacité du traitement par ultrasons, comme effet de broyage à ultrasons est causée par collision entre particules. Des études ont montré que le taux de rupture de la silice est indépendante de la concentration en solides jusqu'à 50% en poids. Le traitement des mélanges maîtres avec un coefficient de matériau hautement concentré est un procédé de production commun en utilisant ultrasonication.

Puissance et intensité par rapport à l'énergie

l'intensité de la surface et la puissance totale ne décrivent que l'intensité du traitement. Le volume d'échantillon soniqué et le temps d'exposition à une certaine intensité doivent être considérés pour décrire un processus de traitement par ultrasons afin de le rendre évolutif et reproductible. Pour une configuration de paramètre donné le résultat de processus, par exemple, la taille des particules ou de conversion chimique, dépendront de l'énergie par volume (E / V).

résultat = F (E /V )

Lorsque l'énergie (E) est le produit de la puissance du moteur (P) et le temps d'exposition (t).

E[ws] = P[W] *t[S]

Les changements dans la configuration des paramètres changeront la fonction de résultat. Cela varie la quantité d'énergie (E) requis pour une valeur d'échantillon donné (V) pour obtenir une valeur de résultat spécifique. Pour cette raison, il ne suffit pas de déployer une certaine puissance des ultrasons à 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 mis dans le matériau de processus. (Hielscher 2005)

Production assistée de ultra-sons Bioéthanol

Il est savent déjà que les ultrasons améliore la production de bioéthanol. Il est recommandable pour épaissir le liquide avec de la biomasse à une suspension très visqueuse qui est encore pompable. réacteurs à ultrasons peuvent gérer des concentrations solides assez élevées pour que le processus de sonication peut être exécuté le plus efficace. Le matériau plus est contenu dans la suspension, moins liquide porteur, qui ne sera pas tirer profit du processus de sonication, sera traitée. Comme l'apport d'énergie dans un liquide provoque un chauffage du liquide par la loi de la thermodynamique, cela signifie que l'énergie ultrasonore est appliquée à la matière cible, dans la mesure du possible. Par une telle conception de procédé efficace, on évite un échauffement inutile de l'excès de liquide porteur.
L'échographie aide le Extraction de la matière intracellulaire et le rend ainsi disponible pour la fermentation enzymatique. Doux traitement par ultrasons peut améliorer l'activité enzymatique, mais pour l'extraction de la biomasse ultrasons plus intense sera nécessaire. En conséquence, les enzymes doivent être ajoutés à la suspension de la biomasse après la sonication intense que les ultrasons inactiver les enzymes, ce qui est un effet non souhaité.

Les résultats actuels obtenus par la recherche scientifique:

Les études de Yoswathana et al. (2010) en ce qui concerne la production de bioéthanol à partir de la paille de riz ont montré que la combinaison de pré-traitement à l'acide et aux ultrasons avant de conduire un traitement enzymatique à un rendement en sucre augmenté de jusqu'à 44% (sur base de la paille de riz). Cela montre l'efficacité de la combinaison de pré-traitement physique et chimique avant l'hydrolyse enzymatique de matière lignocellulose au sucre.

Tableau 2 illustre les effets positifs de l'irradiation aux ultrasons au cours de la production de bioéthanol à partir de la paille de riz sous forme graphique. (Charbon de bois a été utilisé pour détoxifier les échantillons prétraités de prétraitement / enzyme acide et le prétraitement par ultrasons).

Les résultats de fermentation assistée par ultrasons dans un important rendement en éthanol supérieur. Le bioéthanol a été produit à partir de la paille de riz.

Graphique 2 – amélioration ultrasonique de production d'éthanol pendant la fermentation (Yoswathana et al., 2010)

Dans une autre étude récente, l'influence de ultrasonication sur le extracellulaire et les taux intracellulaire d'une enzyme β-galactosidase a été examiné. Sulaiman et al. (2011) pourrait améliorer la productivité de la production de bioéthanol sensiblement, en utilisant des ultrasons à une température contrôlée la stimulation de la croissance de la levure Kluyveromyces marxianus de (ATCC 46537). Les auteurs du document reprend que sonication intermittent avec des ultrasons de puissance (20 kHz) à des cycles de fonctionnement ≤20% a stimulé la production de la biomasse, le métabolisme du lactose et la production d'éthanol dans K. marxianus avec une intensité de sonification relativement élevée de 11.8Wcm-2. Dans les meilleures conditions, sonication a amélioré la concentration d'éthanol finale de près de 3,5 fois par rapport au contrôle. Cela correspond à une amélioration de 3,5 fois de la productivité de l'éthanol, mais nécessaire 952W de puissance d'entrée supplémentaire par mètre cube de bouillon par sonication. Cette exigence supplémentaire d'énergie était certainement dans les normes opérationnelles acceptables pour bioréacteurs et, pour les produits à haute valeur ajoutée, pourrait être facilement compensée par la productivité accrue.

Conclusion: Les avantages de la fermentation assistée par ultrasons

traitement par ultrasons a été présentée comme une technique efficace et innovante pour améliorer le rendement du bioéthanol. Principalement, les ultrasons est utilisé pour extraire la matière intracellulaire à partir de biomasse, telles que le maïs, le soja, la paille, la matière ligno-cellulosique ou des déchets de légumes.

  • Augmentation du bioéthanol rendement
  • Disinteration / distruction cellulaire et la libération de matériel intra-cellulaire
  • Amélioration de la décomposition anaérobie
  • L'activation des enzymes par sonication douce
  • L'amélioration de l'efficacité du procédé par boues de concentration élevés

Le test simple, mise à l'échelle reproductible et une installation facile (également dans les flux de production déjà existants) fait une technologie rentable ultra-sons et efficace. processeurs à ultrasons industriels fiables pour le traitement commercial sont disponibles et permettent de volumes de liquide pratiquement Soniquer illimités.

UIP1000hd Bench-Top Ultrasonic Homogenizer

Picure 4 - Mise en service avec le processeur à ultrasons 1000W UIP1000hd, La cellule d'écoulement, le réservoir et la pompe

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Littérature / Références

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