બાયોઇથેનોલના ઉત્પાદન માટે અલ્ટ્રાસોનિક સહાયિત આથવણ

અલ્ટ્રાસોનિક સહાયિત આથવણ જટિલ કાર્બોહાઇડ્રેટ્સનું વધુ સરળ શર્કરાઓમાં વિઘટન પ્રોત્સાહિત કરીને બાયોઇથેનોલનું ઉત્પાદન વધારી શકે છે, જેથી યીસ્ટ માટે તેમને ઇથેનોલમાં રૂપાંતરિત કરવા વધુ સહેલાઈથી ઉપલબ્ધ બને છે. સાથે સાથે, સોનિકેશન યીસ્ટની કોષભિત્તિની પારગમ્યતાની કાર્યક્ષમતામાં પણ સુધારો કરે છે, જેથી ઇથેનોલ વધુ ઝડપથી મુક્ત થાય છે અને એકંદર ઉત્પાદન વધે છે. આમ, અલ્ટ્રાસોનિક સહાયિત બાયોઇથેનોલ આથવણથી વધુ ઊંચા રૂપાંતરણ દર અને વધુ ઉપજ પ્રાપ્ત થાય છે.

આથવણ

આથવણ વાયુજીવી (= ઓક્સિડેટિવ આથવણ) અથવા અવાયુજીવી પ્રક્રિયા હોઈ શકે છે, જેનો ઉપયોગ જૈવપ્રૌદ્યોગિકીય ઉપયોગોમાં બેક્ટેરિયા, ફૂગ અથવા અન્ય જૈવિક કોષ સંવર્ધનો દ્વારા અથવા ઉત્સેચકો દ્વારા કાર્બનિક પદાર્થનું રૂપાંતરણ કરવા માટે થાય છે. આથવણ દ્વારા કાર્બનિક સંયોજનો, દા.ત. કાર્બોહાઇડ્રેટ્સના ઓક્સિડેશનમાંથી ઊર્જા મેળવવામાં આવે છે.
શર્કરા આથવણનો સૌથી સામાન્ય આધારપદાર્થ છે, જેના આથવણ પછી લેક્ટિક એસિડ, લેક્ટોઝ, ઇથેનોલ અને હાઇડ્રોજન જેવી નીપજો મળે છે. આલ્કોહોલિક આથવણમાં, ઇથેનોલનું ઉત્પાદન આથવણ દ્વારા થાય છે – ખાસ કરીને બળતણ તરીકે ઉપયોગ માટે, પરંતુ આલ્કોહોલિક પીણાં માટે પણ. જ્યારે યીસ્ટની કેટલીક જાતો, જેમ કે Saccharomyces cerevisiae શર્કરાનું ચયાપચય કરે છે, ત્યારે યીસ્ટના કોષો પ્રારંભિક પદાર્થને ઇથેનોલ અને કાર્બન ડાયોક્સાઇડમાં રૂપાંતરિત કરે છે.

નીચેનાં રાસાયણિક સમીકરણો આ રૂપાંતરણનો સાર દર્શાવે છે:

જો પ્રારંભિક પદાર્થ સ્ટાર્ચ હોય, દા.ત. મકાઈમાંથી મળતો સ્ટાર્ચ, તો સૌપ્રથમ સ્ટાર્ચને શર્કરામાં રૂપાંતરિત કરવો જરૂરી છે. બળતણ તરીકે વપરાતા બાયોઇથેનોલ માટે, સ્ટાર્ચના રૂપાંતરણ માટે જલવિઘટન જરૂરી છે. સામાન્ય રીતે, અમ્લીય અથવા ઉત્સેચકીય ઉપચાર દ્વારા અથવા બંનેના સંયોજન દ્વારા જલવિઘટનને ઝડપી બનાવવામાં આવે છે. સામાન્ય રીતે, આથવણ લગભગ 35–40 °C પર કરવામાં આવે છે.
વિવિધ આથવણ પ્રક્રિયાઓનો પરિચય:

ખાદ્યપદાર્થો :

• ઉત્પાદન & સંરક્ષણ
• દૂધજન્ય પદાર્થો (લેક્ટિક એસિડ આથવણ), દા.ત. દહીં, છાશ, કેફિર
• લેક્ટિક આથવણ કરેલી શાકભાજી, દા.ત. કિમચી, મિસો, નાટ્ટો, ત્સુકેમોનો, સાઉરક્રાઉટ
• સુગંધિત સંયોજનોનો વિકાસ, દા.ત. સોયા સોસ
• ટેનિંગ કારકોનું વિઘટન, દા.ત. ચા, કોકો, કોફી, તમાકુ
• આલ્કોહોલિક પીણાં, દા.ત. બિયર, વાઇન, વ્હિસ્કી

ઔષધો :

• ઔષધીય સંયોજનોનું ઉત્પાદન, દા.ત. ઇન્સ્યુલિન, હાયાલ્યુરોનિક એસિડ

બાયોગેસ/ ઇથેનોલ :

• બાયોગેસ/ બાયોઇથેનોલના ઉત્પાદનમાં સુધારો

વિવિધ સંશોધનપત્રો અને બેન્ચ-ટોપ તથા પાયલોટ સ્તરનાં પરીક્ષણોએ દર્શાવ્યું છે કે અલ્ટ્રાસાઉન્ડ ઉત્સેચકીય આથવણ માટે વધુ જૈવદ્રવ્ય ઉપલબ્ધ બનાવીને આથવણ પ્રક્રિયામાં સુધારો કરે છે. હવે પછીના વિભાગમાં, પ્રવાહીમાં અલ્ટ્રાસાઉન્ડની અસરોનું વિગતવાર વર્ણન કરવામાં આવશે.

અલ્ટ્રાસોનિક પ્રવાહી પ્રક્રિયાની અસરો

ઉચ્ચ શક્તિ/ નીચી આવૃત્તિવાળા અલ્ટ્રાસાઉન્ડ દ્વારા ઊંચા કંપવિસ્તાર ઉત્પન્ન કરી શકાય છે. તેથી, ઉચ્ચ શક્તિ/ નીચી આવૃત્તિવાળા અલ્ટ્રાસાઉન્ડનો ઉપયોગ પ્રવાહીઓની પ્રક્રિયાઓ માટે થઈ શકે છે, જેમ કે મિશ્રણ, પાયસીકરણ, વિક્ષેપણ અને કણોના ઝુંડને છૂટા પાડવા અથવા પેષણ માટે.
પ્રવાહીઓને ઊંચી તીવ્રતા પર સોનિકેશન આપતી વખતે, પ્રવાહી માધ્યમોમાં પ્રસરી રહેલાં ધ્વનિતરંગો વારાફરતી ઉચ્ચ દબાણ (સંકોચન) અને નીચા દબાણ (વિરલન)નાં ચક્રો ઉત્પન્ન કરે છે, જેમના દર આવૃત્તિ પર આધાર રાખે છે. નીચા દબાણના ચક્ર દરમિયાન, ઉચ્ચ તીવ્રતાવાળાં અલ્ટ્રાસોનિક તરંગો પ્રવાહીમાં નાના શૂન્યાવકાશી પરપોટા અથવા પોલાણો બનાવે છે. જ્યારે પરપોટા એવા કદ સુધી પહોંચે છે કે તેઓ વધુ ઊર્જા શોષી શકતા નથી, ત્યારે ઉચ્ચ દબાણના ચક્ર દરમિયાન તેઓ પ્રચંડ રીતે અંદરની તરફ તૂટી પડે છે. આ ઘટનાને કેવિટેશન કહેવામાં આવે છે. કેવિટેશન, એટલે કે “પ્રવાહીમાં પરપોટાનું નિર્માણ, વૃદ્ધિ અને અંતઃસ્ફોટક પતન. કેવિટેશનજન્ય પતન તીવ્ર સ્થાનિક તાપન (~5000 K), ઊંચાં દબાણો (~1000 atm) અને ગરમ થવાના તથા ઠંડા પડવાના અત્યંત ઊંચા દર (>109 K/sec)” અને પ્રવાહી જેટના પ્રવાહો (~400 km/h) ઉત્પન્ન કરે છે”. (Suslick 1998)

કેવિટેશન ઉત્પન્ન કરવા માટે વિવિધ સાધનો છે, જેમ કે ઉચ્ચ દબાણવાળી નોઝલ, રોટર–સ્ટેટર મિક્સર અથવા અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોસેસર. આ બધી પ્રણાલીઓમાં આપેલી ઊર્જા ઘર્ષણ, પ્રક્ષુબ્ધતા, તરંગો અને કેવિટેશનમાં રૂપાંતરિત થાય છે. આપેલી ઊર્જાનો કેટલો અંશ કેવિટેશનમાં રૂપાંતરિત થાય છે તે પ્રવાહીમાં કેવિટેશન ઉત્પન્ન કરતાં સાધનોની ગતિનું વર્ણન કરતાં અનેક પરિબળો પર આધાર રાખે છે. ઊર્જાનું કેવિટેશનમાં કાર્યક્ષમ રૂપાંતરણ પ્રભાવિત કરતાં સૌથી મહત્વપૂર્ણ પરિબળોમાં પ્રવેગની તીવ્રતા એક છે. વધુ પ્રવેગથી દબાણમાં વધુ તફાવત સર્જાય છે. આનાથી પ્રવાહીમાં પ્રસરી રહેલા તરંગો ઉત્પન્ન થવાને બદલે શૂન્યાવકાશવાળા પરપોટા ઉત્પન્ન થવાની સંભાવના વધે છે. આમ, પ્રવેગ જેટલો વધારે હોય, તેટલો ઊર્જાનો વધુ અંશ કેવિટેશનમાં રૂપાંતરિત થાય છે.
અલ્ટ્રાસોનિક ટ્રાન્સડ્યુસરના કિસ્સામાં, દોલનનો કંપનવિસ્તાર પ્રવેગની તીવ્રતા દર્શાવે છે. વધુ કંપનવિસ્તારથી કેવિટેશન વધુ અસરકારક રીતે ઉત્પન્ન થાય છે. તીવ્રતા ઉપરાંત, પ્રવાહીને એવી રીતે પ્રવેગ આપવો જોઈએ કે પ્રક્ષુબ્ધતા, ઘર્ષણ અને તરંગોના સર્જનને કારણે થતું નુકસાન ન્યૂનતમ રહે. આ માટે ગતિને એક જ દિશામાં રાખવી એ શ્રેષ્ઠ રીત છે. સોનિકેશન પ્રક્રિયાની તીવ્રતા અને પરિમાણો બદલવાથી અલ્ટ્રાસાઉન્ડ ખૂબ તીવ્ર અથવા ખૂબ હળવું બની શકે છે. આથી અલ્ટ્રાસાઉન્ડ વિવિધ ઉપયોગો માટે અત્યંત બહુમુખી સાધન બને છે.

હળવી પરિસ્થિતિઓમાં હળવું સોનિકેશન લાગુ કરવામાં આવે તેવા સૌમ્ય ઉપયોગોમાં વાયુ દૂર કરવો, ઇમલ્સન બનાવવું, અને ઉત્સેચકોનું સક્રિયકરણ સામેલ છે. ઉચ્ચ તીવ્રતા/ ઉચ્ચ શક્તિવાળા અલ્ટ્રાસાઉન્ડના તીવ્ર ઉપયોગોમાં (મોટે ભાગે વધારેલા દબાણ હેઠળ) ભીનું પીસણ, કણોના સમૂહોનું વિઘટન અને કણોના કદમાં ઘટાડો, તેમજ વિક્ષેપણ સામેલ છે. ઘણા ઉપયોગો, જેમ કે નિષ્કર્ષણ, વિઘટન અથવા સોનોકેમિસ્ટ્રી, માટે જરૂરી અલ્ટ્રાસોનિક તીવ્રતા સોનિકેશન કરવાના ચોક્કસ પદાર્થ પર આધાર રાખે છે. દરેક પ્રક્રિયાને અનુરૂપ ગોઠવી શકાય તેવાં વિવિધ પરિમાણોને કારણે, અલ્ટ્રાસાઉન્ડ દરેક અલગ પ્રક્રિયા માટે શ્રેષ્ઠ કાર્યબિંદુ શોધવાની સુવિધા આપે છે.
ઉત્કૃષ્ટ શક્તિ રૂપાંતરણ ઉપરાંત, અલ્ટ્રાસોનિકેશન સૌથી મહત્વપૂર્ણ પરિમાણો પર સંપૂર્ણ નિયંત્રણનો મોટો લાભ આપે છે: કંપનવિસ્તાર, દબાણ, તાપમાન, સ્નિગ્ધતા અને સાંદ્રતા. આથી દરેક ચોક્કસ પદાર્થ માટે આદર્શ પ્રક્રિયા પરિમાણો શોધવાના ઉદ્દેશ્ય સાથે આ બધાં પરિમાણોને ગોઠવવાની શક્યતા મળે છે. પરિણામે વધુ અસરકારકતા તેમજ શ્રેષ્ઠ બનાવેલી કાર્યક્ષમતા પ્રાપ્ત થાય છે.

આથવણ પ્રક્રિયાઓ સુધારવા માટે અલ્ટ્રાસાઉન્ડ – બાયોઇથેનોલ ઉત્પાદનના ઉદાહરણ દ્વારા સમજૂતી

બાયોઇથેનોલ એ અવાયવીય અથવા વાયવીય બેક્ટેરિયા દ્વારા જૈવભાર અથવા કચરાના જૈવવિઘટનક્ષમ પદાર્થના વિઘટનથી બનતું ઉત્પાદન છે. ઉત્પન્ન થયેલા ઇથેનોલનો મુખ્યત્વે જૈવઇંધણ તરીકે ઉપયોગ થાય છે. આથી બાયોઇથેનોલ કુદરતી ગેસ જેવા અશ્મિભૂત ઇંધણોનો નવીનીકરણીય અને પર્યાવરણને અનુકૂળ વિકલ્પ બને છે.
જૈવભારમાંથી ઇથેનોલ ઉત્પન્ન કરવા માટે ખાંડ, સ્ટાર્ચ અને લિગ્નોસેલ્યુલોસિક પદાર્થનો કાચા માલ તરીકે ઉપયોગ કરી શકાય છે. ઔદ્યોગિક સ્તરના ઉત્પાદન માટે હાલમાં ખાંડ અને સ્ટાર્ચનો મુખ્યત્વે ઉપયોગ થાય છે, કારણ કે તે આર્થિક રીતે અનુકૂળ છે.
આપેલી પરિસ્થિતિઓમાં ચોક્કસ કાચા માલ સાથે ગ્રાહકની વિશિષ્ટ પ્રક્રિયાને અલ્ટ્રાસાઉન્ડ કેવી રીતે સુધારે છે તે વ્યવહાર્યતા પરીક્ષણો દ્વારા ખૂબ સરળતાથી ચકાસી શકાય છે. પ્રથમ પગલામાં, કાચા માલની સ્લરીના નાના જથ્થાનું સોનિકેશન અલ્ટ્રાસોનિક પ્રયોગશાળા ઉપકરણ વડે કરવાથી અલ્ટ્રાસાઉન્ડ કાચા માલ પર અસર કરે છે કે નહીં તે જાણી શકાય છે.

વ્યવહાર્યતા પરીક્ષણ

પરીક્ષણના પ્રથમ તબક્કામાં, પ્રવાહીના નાના કદમાં પ્રમાણમાં વધુ અલ્ટ્રાસોનિક ઊર્જા આપવી યોગ્ય છે, કારણ કે તેનાથી કોઈ પરિણામો મેળવી શકાય છે કે નહીં તે જોવાની શક્યતા વધે છે. નમૂનાનું નાનું કદ પ્રયોગશાળાના ઉપકરણના ઉપયોગનો સમય પણ ઘટાડે છે અને પ્રારંભિક પરીક્ષણોનો ખર્ચ ઓછો કરે છે.
સોનોટ્રોડની સપાટી દ્વારા અલ્ટ્રાસાઉન્ડ તરંગો પ્રવાહીમાં પ્રસારિત થાય છે. સોનોટ્રોડની સપાટીની નીચે અલ્ટ્રાસાઉન્ડની તીવ્રતા સૌથી વધુ હોય છે. તેથી, સોનોટ્રોડ અને સોનિકેશન કરવામાં આવતી સામગ્રી વચ્ચે ઓછું અંતર રાખવાનું પસંદ કરવામાં આવે છે. પ્રવાહીના નાના કદનું સોનિકેશન કરવામાં આવે ત્યારે સોનોટ્રોડથી અંતર ઓછું રાખી શકાય છે.
નીચેનું કોષ્ટક ઑપ્ટિમાઇઝેશન પછી સોનિકેશન પ્રક્રિયાઓ માટેનાં સામાન્ય ઊર્જા/કદ સ્તરો દર્શાવે છે. પ્રારંભિક પરીક્ષણો શ્રેષ્ઠ ગોઠવણીમાં કરવામાં આવશે નહીં, તેથી સામાન્ય મૂલ્ય કરતાં 10 થી 50 ગણી સોનિકેશન તીવ્રતા અને સમયથી સોનિકેશન કરવામાં આવતી સામગ્રી પર કોઈ અસર થાય છે કે નહીં તે જાણી શકાશે.

પ્રક્રિયા	ઊર્જા/ કદ	નમૂનાનું કદ	શક્તિ	સમય
સરળ	< 100Ws/mL	10mL	50W	< 20 sec
મધ્યમ	100Ws/mL થી 500Ws/mL	10mL	50W	20 થી 100 sec
તીવ્ર	> 500Ws/mL	10mL	50W	>100 sec

કોષ્ટક 1 – પ્રક્રિયાના ઑપ્ટિમાઇઝેશન પછીનાં સામાન્ય સોનિકેશન મૂલ્યો

પરીક્ષણો દરમિયાન ખરેખર અપાતી શક્તિ સંકલિત ડેટા રેકોર્ડિંગ (UP200Ht અને UP200St), PC ઇન્ટરફેસ અથવા પાવરમીટર દ્વારા નોંધવામાં આવી શકે છે. કંપવિસ્તારની ગોઠવણી અને તાપમાનના નોંધાયેલા ડેટા સાથે દરેક પરીક્ષણનાં પરિણામોનું મૂલ્યાંકન કરી શકાય છે અને ઊર્જા/કદ માટે એક આધારભૂત મૂલ્ય સ્થાપિત કરી શકાય છે.
જો પરીક્ષણો દરમિયાન શ્રેષ્ઠ ગોઠવણી પસંદ કરવામાં આવી હોય, તો ઑપ્ટિમાઇઝેશનના તબક્કા દરમિયાન આ ગોઠવણીની કામગીરીની ચકાસણી કરી શકાય અને અંતે તેને વ્યાપારી સ્તર સુધી વિસ્તારી શકાય. ઑપ્ટિમાઇઝેશનને સરળ બનાવવા માટે, ચોક્કસ ફોર્મ્યુલેશનો માટે સોનિકેશનની મર્યાદાઓ, દા.ત. તાપમાન, કંપવિસ્તાર અથવા ઊર્જા/કદ, પણ તપાસવાની ભારપૂર્વક ભલામણ કરવામાં આવે છે. અલ્ટ્રાસાઉન્ડ કોષો, રસાયણો અથવા કણો પર નકારાત્મક અસરો પેદા કરી શકે છે, તેથી દરેક પરિમાણનાં નિર્ણાયક સ્તરો તપાસવા જરૂરી છે, જેથી ત્યારબાદનું ઑપ્ટિમાઇઝેશન એવા પરિમાણોની શ્રેણી સુધી મર્યાદિત રાખી શકાય જેમાં નકારાત્મક અસરો જોવા મળતી નથી. આવા પરીક્ષણોમાં સાધનો અને નમૂનાઓનો ખર્ચ મર્યાદિત રાખવા માટે શક્યતાના અભ્યાસમાં પ્રયોગશાળાનાં નાનાં અથવા બેન્ચ-ટોપ એકમોની ભલામણ કરવામાં આવે છે. સામાન્ય રીતે 100 થી 1,000 વોટના એકમો શક્યતાના અભ્યાસના હેતુઓ ખૂબ સારી રીતે પૂરા કરે છે. (જુઓ Hielscher 2005)

ઑપ્ટિમાઇઝેશન

શક્યતાના અભ્યાસો દરમિયાન પ્રાપ્ત થયેલાં પરિણામો, પ્રક્રિયા કરવામાં આવેલા નાના કદના સંદર્ભમાં, ઘણો ઊંચો ઊર્જાવપરાશ દર્શાવી શકે છે. પરંતુ શક્યતાના પરીક્ષણનો મુખ્ય હેતુ સામગ્રી પર અલ્ટ્રાસાઉન્ડની અસરો દર્શાવવાનો છે. જો શક્યતાના પરીક્ષણમાં હકારાત્મક અસરો જોવા મળે, તો ઊર્જા/કદના ગુણોત્તરને શ્રેષ્ઠ બનાવવા વધુ પ્રયત્નો કરવા જરૂરી છે. આનો અર્થ એ છે કે પ્રક્રિયાને આર્થિક રીતે સૌથી વધુ વાજબી અને કાર્યક્ષમ બનાવવા માટે શક્ય તેટલી ઓછી ઊર્જાનો ઉપયોગ કરીને સૌથી વધુ ઉપજ મેળવવા અલ્ટ્રાસાઉન્ડનાં પરિમાણોની આદર્શ ગોઠવણી શોધવી જોઈએ. પરિમાણોની શ્રેષ્ઠ ગોઠવણી શોધવા માટે – લઘુતમ ઊર્જા આપીને ઇચ્છિત લાભો મેળવવા માટે – સૌથી મહત્વપૂર્ણ પરિમાણો કંપવિસ્તાર, દબાણ, તાપમાન અને પ્રવાહીની સંરચના વચ્ચેનો સહસંબંધ તપાસવો જરૂરી છે. આ બીજા તબક્કામાં બેચ સોનિકેશનમાંથી ફ્લો સેલ રિએક્ટર ધરાવતી સતત સોનિકેશન ગોઠવણી તરફ જવાની ભલામણ કરવામાં આવે છે, કારણ કે બેચ સોનિકેશનમાં દબાણના મહત્વપૂર્ણ પરિમાણને પ્રભાવિત કરી શકાતું નથી. બેચમાં સોનિકેશન દરમિયાન દબાણ આસપાસના વાતાવરણના દબાણ સુધી મર્યાદિત રહે છે. જો સોનિકેશન પ્રક્રિયા દબાણયુક્ત કરી શકાય તેવા ફ્લો સેલ ચેમ્બરમાંથી પસાર થાય, તો દબાણ વધારી શકાય છે (અથવા ઘટાડી શકાય છે), જે સામાન્ય રીતે અલ્ટ્રાસોનિક કેવિટેશનને તીવ્ર રીતે અસર કરે છે. ફ્લો સેલનો ઉપયોગ કરીને દબાણ અને પ્રક્રિયાની કાર્યક્ષમતા વચ્ચેનો સહસંબંધ નક્કી કરી શકાય છે. 500 વોટ અને 2000 વોટ વચ્ચેની શક્તિ ધરાવતા અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોસેસરો પ્રક્રિયાના ઑપ્ટિમાઇઝેશન માટે સૌથી વધુ યોગ્ય છે.

વ્યાપારી ઉત્પાદન સુધી ક્ષમતાનું વિસ્તરણ

જો શ્રેષ્ઠ ગોઠવણી મળી ગઈ હોય, તો આગળ ઉત્પાદનનું પ્રમાણ વધારવું સરળ છે, કારણ કે અલ્ટ્રાસોનિક પ્રક્રિયાઓ રેખીય ધોરણે સંપૂર્ણપણે પુનરુત્પાદિત કરી શકાય છે. આનો અર્થ એ છે કે જ્યારે સમાન પ્રક્રિયા પરિમાણોની ગોઠવણી હેઠળ સમાન પ્રવાહી સંયોજન પર અલ્ટ્રાસાઉન્ડ લાગુ કરવામાં આવે છે, ત્યારે પ્રક્રિયાના પ્રમાણથી સ્વતંત્ર રીતે સમાન પરિણામ મેળવવા માટે એકમ ઘનફળદીઠ સમાન ઊર્જાની જરૂર પડે છે. (Hielscher 2005). આથી અલ્ટ્રાસાઉન્ડના પરિમાણોની શ્રેષ્ઠ ગોઠવણીને સંપૂર્ણ ઉત્પાદનના સ્તરે અમલમાં મૂકવી શક્ય બને છે. વ્યવહારમાં, અલ્ટ્રાસોનિક રીતે પ્રક્રિયા કરી શકાય તેવું ઘનફળ અમર્યાદિત છે. મહત્તમ 16,000 વોટ પ્રતિ એકમ શક્તિ ધરાવતી વાણિજ્યિક અલ્ટ્રાસોનિક પ્રણાલીઓ ઉપલબ્ધ છે અને તેમને સમૂહોમાં સ્થાપિત કરી શકાય છે. અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોસેસરોના આવા સમૂહોને સમાંતર અથવા શ્રેણીમાં સ્થાપિત કરી શકાય છે. ઉચ્ચ શક્તિવાળા અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોસેસરોને સમૂહોમાં સ્થાપિત કરવાથી કુલ શક્તિ લગભગ અમર્યાદિત બને છે, જેથી મોટા ઘનફળવાળા પ્રવાહોની કોઈ સમસ્યા વિના પ્રક્રિયા કરી શકાય છે. જો અલ્ટ્રાસોનિક પ્રણાલીમાં અનુકૂલન કરવાની જરૂર પડે, ઉદાહરણ તરીકે બદલાયેલા પ્રવાહી સંયોજન અનુસાર પરિમાણોને સમાયોજિત કરવા માટે, તો પણ મોટા ભાગે સોનોટ્રોડ, બૂસ્ટર અથવા ફ્લો સેલ બદલીને આ કરી શકાય છે. અલ્ટ્રાસાઉન્ડની રેખીય રીતે પ્રમાણ વધારવાની ક્ષમતા, પુનરુત્પાદકતા અને અનુકૂલનક્ષમતા આ નવીન ટેકનોલોજીને કાર્યક્ષમ અને ખર્ચની દૃષ્ટિએ અસરકારક બનાવે છે.

અલ્ટ્રાસોનિક પ્રક્રિયાનાં પરિમાણો

અલ્ટ્રાસોનિક પ્રવાહી પ્રક્રિયાનું વર્ણન અનેક પરિમાણો દ્વારા કરવામાં આવે છે. સૌથી મહત્વનાં પરિમાણોમાં કંપનવિસ્તાર, દબાણ, તાપમાન, શ્યાનતા અને સાંદ્રતાનો સમાવેશ થાય છે. આપેલી પરિમાણ ગોઠવણી માટે પ્રક્રિયાનું પરિણામ, જેમ કે કણનું કદ, પ્રક્રિયા કરાયેલા એકમ ઘનફળદીઠ ઊર્જાનું વિધેય છે. વ્યક્તિગત પરિમાણોમાં ફેરફાર થતાં આ વિધેય બદલાય છે. વધુમાં, અલ્ટ્રાસોનિક એકમના સોનોટ્રોડના એકમ સપાટી ક્ષેત્રફળદીઠ વાસ્તવિક નિર્ગત શક્તિ પરિમાણો પર આધાર રાખે છે. સોનોટ્રોડના એકમ સપાટી ક્ષેત્રફળદીઠ નિર્ગત શક્તિને સપાટીની તીવ્રતા (I) કહેવામાં આવે છે. સપાટીની તીવ્રતા કંપનવિસ્તાર (A), દબાણ (p), રિએક્ટરનું ઘનફળ (VR), તાપમાન (T), શ્યાનતા (η) અને અન્ય પરિમાણો પર આધાર રાખે છે.

ઉત્પન્ન થયેલા કેવિટેશનની અસર સપાટીની તીવ્રતા પર આધાર રાખે છે. એ જ રીતે, પ્રક્રિયાનું પરિણામ પણ તેની સાથે સહસંબંધ ધરાવે છે. અલ્ટ્રાસોનિક એકમની કુલ નિર્ગત શક્તિ એ સપાટીની તીવ્રતા (I) અને સપાટીના ક્ષેત્રફળ (S)નો ગુણાકાર છે:

P [W] I [W / mm²]* S[mm²]

કંપનવિસ્તાર

દોલનનો કંપનવિસ્તાર આપેલા સમયગાળામાં (દા.ત. 20kHz પર 1/20,000s) સોનોટ્રોડની સપાટી કાપે છે તે અંતર (દા.ત. 50 µm) દર્શાવે છે. કંપનવિસ્તાર જેટલો મોટો હોય, તેટલો દરેક આઘાત વખતે દબાણ ઘટવાનો અને વધવાનો દર ઊંચો હોય છે. આ ઉપરાંત, દરેક આઘાતમાં ઘનફળનું વિસ્થાપન વધે છે, જેના પરિણામે કેવિટેશનનું ઘનફળ વધુ મોટું બને છે (પરપોટાનું કદ અને/અથવા સંખ્યા). વિક્ષેપણો પર લાગુ કરવામાં આવે ત્યારે, વધુ ઊંચા કંપનવિસ્તાર ઘન કણો પર વધુ વિનાશક અસર દર્શાવે છે. કોષ્ટક 1 કેટલીક અલ્ટ્રાસોનિક પ્રક્રિયાઓ માટેનાં સામાન્ય મૂલ્યો દર્શાવે છે.

દબાણ

પ્રવાહીનું ઉત્કલનબિંદુ દબાણ પર આધાર રાખે છે. દબાણ જેટલું ઊંચું હોય, ઉત્કલનબિંદુ તેટલું ઊંચું હોય છે, અને તેનાથી વિપરીત પણ સાચું છે. વધેલું દબાણ ઉત્કલનબિંદુની નજીકના અથવા તેનાથી ઊંચા તાપમાને કેવિટેશન થવા દે છે. તે અંતઃસ્ફોટની તીવ્રતા પણ વધારે છે, જે સ્થિર દબાણ અને પરપોટાની અંદરના વરાળના દબાણ વચ્ચેના તફાવત સાથે સંબંધિત છે (જુઓ Vercet et al. 1999). દબાણમાં ફેરફાર સાથે અલ્ટ્રાસોનિક શક્તિ અને તીવ્રતા ઝડપથી બદલાતી હોવાથી, અચળ દબાણ જાળવતો પંપ વધુ યોગ્ય છે. ફ્લો સેલમાં પ્રવાહી પૂરું પાડતી વખતે પંપ યોગ્ય દબાણે તે ચોક્કસ પ્રવાહી પ્રવાહને સંભાળવા સક્ષમ હોવો જોઈએ. ડાયાફ્રામ અથવા મેમ્બ્રેન પંપ; લવચીક નળી, હોઝ અથવા સ્ક્વીઝ પંપ; પેરિસ્ટાલ્ટિક પંપ; અથવા પિસ્ટન અથવા પ્લન્જર પંપ દબાણમાં વારાફરતી વધઘટ પેદા કરશે. સોનિકેશન કરવાના પ્રવાહીને સતત સ્થિર દબાણે પૂરું પાડતા સેન્ટ્રિફ્યુગલ પંપ, ગિયર પંપ, સ્પાઇરલ પંપ અને પ્રોગ્રેસિવ કેવિટી પંપને પ્રાધાન્ય આપવામાં આવે છે. (Hielscher 2005)

તાપમાન

પ્રવાહીનું સોનિકેશન કરવાથી માધ્યમમાં શક્તિ સંચારિત થાય છે. અલ્ટ્રાસોનિક રીતે ઉત્પન્ન થયેલાં દોલનો પ્રક્ષુબ્ધતા અને ઘર્ષણ પેદા કરતાં હોવાથી, સોનિકેશન કરાયેલું પ્રવાહી – ઉષ્માગતિશાસ્ત્રના નિયમ અનુસાર – ગરમ થશે. પ્રક્રિયા કરાતા માધ્યમનું વધેલું તાપમાન પદાર્થ માટે વિનાશક બની શકે છે અને અલ્ટ્રાસોનિક કેવિટેશનની અસરકારકતા ઘટાડી શકે છે. નવીન અલ્ટ્રાસોનિક ફ્લો સેલ શીતક જેકેટથી સજ્જ હોય છે (ચિત્ર જુઓ). તેનાથી અલ્ટ્રાસોનિક પ્રક્રિયા દરમિયાન પદાર્થના તાપમાન પર ચોક્કસ નિયંત્રણ મેળવી શકાય છે. નાના કદના પ્રવાહી જથ્થાનું બીકરમાં સોનિકેશન કરતી વખતે ઉષ્મા દૂર કરવા માટે બરફના સ્નાનની ભલામણ કરવામાં આવે છે.

શ્યાનતા અને સાંદ્રતા

અલ્ટ્રાસોનિક દળવાની અને વિખેરવાની પ્રક્રિયાઓ પ્રવાહીમાં થતી પ્રક્રિયાઓ છે. કણો નિલંબનમાં હોવા જોઈએ, દા.ત. પાણી, તેલ, દ્રાવકો અથવા રેઝિનમાં. અલ્ટ્રાસોનિક ફ્લો-થ્રૂ પ્રણાલીઓનો ઉપયોગ કરવાથી ખૂબ જ શ્યાન, પેસ્ટ જેવા પદાર્થનું સોનિકેશન કરવું શક્ય બને છે.
ઉચ્ચ શક્તિવાળું અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોસેસર ઘન પદાર્થોની પ્રમાણમાં ઊંચી સાંદ્રતાએ ચલાવી શકાય છે. ઊંચી સાંદ્રતા અલ્ટ્રાસોનિક પ્રક્રિયાને અસરકારક બનાવે છે, કારણ કે અલ્ટ્રાસોનિક દળવાની અસર કણો વચ્ચેની અથડામણને કારણે થાય છે. સંશોધનોએ દર્શાવ્યું છે કે વજનના 50% સુધીની ઘન પદાર્થની સાંદ્રતાએ સિલિકા તૂટવાનો દર ઘન પદાર્થની સાંદ્રતાથી સ્વતંત્ર રહે છે. અત્યંત સાંદ્ર પદાર્થનું ઊંચું પ્રમાણ ધરાવતા માસ્ટર બેચની પ્રક્રિયા કરવી એ અલ્ટ્રાસોનિકેશનનો ઉપયોગ કરતી એક સામાન્ય ઉત્પાદન પદ્ધતિ છે.

શક્તિ અને તીવ્રતા વિરુદ્ધ ઊર્જા

સપાટીની તીવ્રતા અને કુલ શક્તિ માત્ર પ્રક્રિયાની તીવ્રતાનું જ વર્ણન કરે છે. સોનિકેશન પ્રક્રિયાને મોટા પાયે વિસ્તારી શકાય તેવી અને પુનરુત્પાદનક્ષમ બનાવવા માટે તેનું વર્ણન કરતી વખતે સોનિકેશન કરાયેલા નમૂનાનું કદ અને ચોક્કસ તીવ્રતાએ તેના ઉદ્ભાસનનો સમય ધ્યાનમાં લેવો જરૂરી છે. પરિમાણોના આપેલા વિન્યાસ માટે પ્રક્રિયાનું પરિણામ, દા.ત. કણનું કદ અથવા રાસાયણિક રૂપાંતરણ, પ્રતિ એકમ કદની ઊર્જા (E/V) પર આધાર રાખશે.

પરિણામ = f (E /V )

અહીં ઊર્જા (E) એ નિર્ગત શક્તિ (P) અને ઉદ્ભાસનના સમય (t)નો ગુણાકાર છે.

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

પરિમાણોના વિન્યાસમાં ફેરફાર થવાથી પરિણામનું વિધેય બદલાશે. તેના કારણે, ચોક્કસ પરિણામ મૂલ્ય મેળવવા માટે નમૂનાના આપેલા મૂલ્ય (V) માટે જરૂરી ઊર્જા (E)નું પ્રમાણ બદલાશે. આ કારણસર પરિણામ મેળવવા માટે પ્રક્રિયામાં અલ્ટ્રાસાઉન્ડની ચોક્કસ શક્તિનો ઉપયોગ કરવો પૂરતો નથી. જરૂરી શક્તિ અને જે પરિમાણોના વિન્યાસ હેઠળ પ્રક્રિયા કરાતા પદાર્થમાં શક્તિ આપવી જોઈએ તે ઓળખવા માટે વધુ પરિષ્કૃત અભિગમ જરૂરી છે. (Hielscher 2005)

અલ્ટ્રાસોનિક સહાયથી બાયોઇથેનોલનું ઉત્પાદન

અલ્ટ્રાસાઉન્ડ બાયોઇથેનોલના ઉત્પાદનમાં સુધારો કરે છે તે પહેલેથી જ જાણીતું છે. પ્રવાહીમાં બાયોમાસ ઉમેરીને તેને અત્યંત શ્યાન સ્લરી જેટલું ઘટ્ટ બનાવવાની ભલામણ કરવામાં આવે છે, પરંતુ તે હજી પણ પંપ કરી શકાય તેવી હોવી જોઈએ. અલ્ટ્રાસોનિક રિએક્ટરો પ્રમાણમાં ઊંચી ઘન સાંદ્રતાઓને સંભાળી શકે છે, જેથી સોનિકેશન પ્રક્રિયા સૌથી કાર્યક્ષમ રીતે ચલાવી શકાય. સ્લરીમાં જેટલો વધુ પદાર્થ હોય, તેટલા ઓછા વાહક પ્રવાહી પર પ્રક્રિયા કરવામાં આવશે, જેને સોનિકેશન પ્રક્રિયાથી લાભ મળવાનો નથી. ઊષ્માગતિશાસ્ત્રના નિયમ મુજબ પ્રવાહીમાં ઊર્જા આપવાથી પ્રવાહી ગરમ થાય છે, તેથી આનો અર્થ એ થાય છે કે અલ્ટ્રાસોનિક ઊર્જા શક્ય હોય તેટલી લક્ષિત પદાર્થ પર લાગુ થાય છે. પ્રક્રિયાની આવી કાર્યક્ષમ રચનાથી વધારાના વાહક પ્રવાહીને અનાવશ્યક રીતે ગરમ કરવાનું ટાળવામાં આવે છે.
અલ્ટ્રાસાઉન્ડ કોષાંતર્ગત પદાર્થના નિષ્કર્ષણમાં મદદ કરે છે અને આમ તેને ઉત્સેચકીય આથવણ માટે ઉપલબ્ધ બનાવે છે. હળવી અલ્ટ્રાસાઉન્ડ સારવાર ઉત્સેચકીય સક્રિયતા વધારી શકે છે, પરંતુ બાયોમાસના નિષ્કર્ષણ માટે વધુ તીવ્ર અલ્ટ્રાસાઉન્ડની જરૂર પડશે. તેથી, સોનિકેશન પછી બાયોમાસ સ્લરીમાં ઉત્સેચકો ઉમેરવા જોઈએ, કારણ કે તીવ્ર અલ્ટ્રાસાઉન્ડ ઉત્સેચકોને નિષ્ક્રિય કરે છે, જે અનિચ્છનીય અસર છે.

વૈજ્ઞાનિક સંશોધન દ્વારા પ્રાપ્ત થયેલાં વર્તમાન પરિણામો:

ડાંગરના પરાળમાંથી બાયોઇથેનોલના ઉત્પાદન અંગે Yoswathana et al. (2010) ના અભ્યાસોએ દર્શાવ્યું છે કે ઉત્સેચકીય સારવાર પહેલાં અમ્લીય પૂર્વસારવાર અને અલ્ટ્રાસાઉન્ડના સંયોજનથી ખાંડની ઉપજ વધીને 44% સુધી (ડાંગરના પરાળના આધારે) થાય છે. આ લિગ્નોસેલ્યુલોઝયુક્ત પદાર્થને ખાંડમાં ફેરવવા માટેના ઉત્સેચકીય જલવિઘટન પહેલાં ભૌતિક અને રાસાયણિક પૂર્વસારવારના સંયોજનની અસરકારકતા દર્શાવે છે. 

આલેખ 2 ડાંગરના પરાળમાંથી બાયોઇથેનોલના ઉત્પાદન દરમિયાન અલ્ટ્રાસોનિક વિકિરણની સકારાત્મક અસરો આલેખરૂપે દર્શાવે છે. (અમ્લીય/ ઉત્સેચકીય પૂર્વસારવાર અને અલ્ટ્રાસોનિક પૂર્વસારવારથી મળેલા પૂર્વસારવાર કરેલા નમૂનાઓનું વિષહરણ કરવા માટે લાકડાના કોલસાનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો છે.)

અન્ય એક તાજેતરના અભ્યાસમાં, β-galactosidase ઉત્સેચકના કોષબાહ્ય અને કોષાંતર્ગત સ્તરો પર અલ્ટ્રાસોનિકેશનના પ્રભાવની તપાસ કરવામાં આવી છે. Sulaiman et al. (2011) નિયંત્રિત તાપમાને અલ્ટ્રાસાઉન્ડનો ઉપયોગ કરીને Kluyveromyces marxianus (ATCC 46537) યીસ્ટની વૃદ્ધિને ઉત્તેજિત કરીને બાયોઇથેનોલ ઉત્પાદનની ઉત્પાદકતામાં નોંધપાત્ર સુધારો કરી શક્યા હતા. સંશોધનપત્રના લેખકોનો નિષ્કર્ષ છે કે પાવર અલ્ટ્રાસાઉન્ડ (20 kHz) સાથે ≤20% ના ડ્યુટી ચક્રો પર અને સોનિકેશનની પ્રમાણમાં ઊંચી 11.8Wcm² તીવ્રતાએ કરવામાં આવેલા તૂટક સોનિકેશને K. marxianus માં બાયોમાસ ઉત્પાદન, લેક્ટોઝ ચયાપચય અને ઇથેનોલ ઉત્પાદનને ઉત્તેજિત કર્યા હતા. શ્રેષ્ઠ પરિસ્થિતિઓમાં, સોનિકેશનથી નિયંત્રણ નમૂનાની સરખામણીમાં અંતિમ ઇથેનોલ સાંદ્રતા લગભગ 3.5-ગણી વધી હતી. આ ઇથેનોલની ઉત્પાદકતામાં 3.5-ગણા વધારાને અનુરૂપ હતું, પરંતુ સોનિકેશન દ્વારા સંવર્ધન પ્રવાહીના પ્રતિ ઘન મીટરે 952W ના વધારાના શક્તિ ઇનપુટની જરૂર પડી હતી. ઊર્જાની આ વધારાની જરૂરિયાત નિશ્ચિતપણે બાયોરિએક્ટરો માટે સ્વીકાર્ય સંચાલન ધોરણોની અંદર હતી અને ઉચ્ચ મૂલ્યનાં ઉત્પાદનો માટે વધેલી ઉત્પાદકતા દ્વારા તેની સરળતાથી ભરપાઈ થઈ શકતી હતી.

નિષ્કર્ષ: અલ્ટ્રાસાઉન્ડ-સહાયિત આથવણના લાભો

બાયોઇથેનોલની ઉપજ વધારવા માટે અલ્ટ્રાસોનિક સારવાર એક કાર્યક્ષમ અને નવીન તકનીક હોવાનું દર્શાવવામાં આવ્યું છે. મુખ્યત્વે, મકાઈ, સોયાબીન, પરાળ, લિગ્નોસેલ્યુલોઝયુક્ત પદાર્થ અથવા વનસ્પતિજન્ય કચરા જેવા બાયોમાસમાંથી કોષાંતર્ગત પદાર્થનું નિષ્કર્ષણ કરવા માટે અલ્ટ્રાસાઉન્ડનો ઉપયોગ થાય છે.

• બાયોઇથેનોલની ઉપજમાં વધારો
• વિઘટન/ કોષનો નાશ અને કોષાંતર્ગત પદાર્થનું મુક્ત થવું
• અવાયવીય વિઘટનમાં સુધારો
• હળવા સોનિકેશન દ્વારા ઉત્સેચકોનું સક્રિયકરણ
• ઊંચી સાંદ્રતાવાળી સ્લરીઓ દ્વારા પ્રક્રિયાની કાર્યક્ષમતામાં સુધારો

સરળ પરીક્ષણ, પુનરુત્પાદનક્ષમ ઉત્પાદન-માપવૃદ્ધિ અને સરળ સ્થાપન (પહેલેથી અસ્તિત્વમાં રહેલા ઉત્પાદન પ્રવાહોમાં પણ) અલ્ટ્રાસોનિક્સને નફાકારક અને કાર્યક્ષમ તકનીક બનાવે છે. વ્યાવસાયિક પ્રક્રિયા માટે વિશ્વસનીય ઔદ્યોગિક અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોસેસરો ઉપલબ્ધ છે અને તે વર્ચ્યુઅલી અમર્યાદિત પ્રવાહી જથ્થાનું સોનિકેશન કરવાનું શક્ય બનાવે છે.