બાયોઇથેનોલ ઉત્પાદન માટે અલ્ટ્રાસોનિકલી આસિસ્ટેડ આથો

અલ્ટ્રાસોનિકલી-સહાયિત આથો સરળ શર્કરામાં જટિલ કાર્બોહાઇડ્રેટ્સના ભંગાણને પ્રોત્સાહન આપીને બાયોઇથેનોલના ઉત્પાદનમાં વધારો કરી શકે છે, જે તેમને ઇથેનોલમાં રૂપાંતરિત કરવા યીસ્ટ માટે વધુ સરળતાથી ઉપલબ્ધ બનાવે છે. સાથોસાથ, સોનિકેશન યીસ્ટ સેલ વોલની અભેદ્યતાની કાર્યક્ષમતામાં પણ સુધારો કરે છે, જે ઝડપથી ઇથેનોલ રીલીઝ અને એકંદર ઉત્પાદનમાં વધારો કરવાની મંજૂરી આપે છે. આમ, અલ્ટ્રાસોનિકલી-સહાયિત બાયોઇથેનોલ આથો ઉચ્ચ રૂપાંતરણ દર અને ઉન્નત ઉપજમાં પરિણમે છે.

આથો

આથો એ એરોબિક (= ઓક્સિડેટીવ આથો) અથવા એનારોબિક પ્રક્રિયા હોઈ શકે છે, જેનો ઉપયોગ બેક્ટેરિયલ, ફંગલ અથવા અન્ય જૈવિક કોષ સંસ્કૃતિઓ દ્વારા અથવા ઉત્સેચકો દ્વારા કાર્બનિક સામગ્રીને કન્વર્ટ કરવા માટે બાયોટેકનોલોજીકલ એપ્લિકેશન માટે થાય છે. આથો દ્વારા, કાર્બનિક સંયોજનોના ઓક્સિડેશનમાંથી ઊર્જા કાઢવામાં આવે છે, દા.ત. કાર્બોહાઇડ્રેટ્સ.
ખાંડ એ આથોનો સૌથી સામાન્ય સબસ્ટ્રેટ છે, જે લેક્ટિક એસિડ, લેક્ટોઝ, ઇથેનોલ અને હાઇડ્રોજન જેવા ઉત્પાદનોમાં આથો પછી પરિણમે છે. આલ્કોહોલિક આથો માટે, ઇથેનોલ - ખાસ કરીને બળતણ તરીકે ઉપયોગ કરવા માટે, પણ આલ્કોહોલિક પીણાં માટે પણ – આથો દ્વારા ઉત્પન્ન થાય છે. જ્યારે ચોક્કસ આથો તાણ, જેમ કે saccharomyces cerevisiae ખાંડનું ચયાપચય કરે છે, આથો કોષો પ્રારંભિક સામગ્રીને ઇથેનોલ અને કાર્બન ડાયોક્સાઇડમાં રૂપાંતરિત કરે છે.

નીચેના રાસાયણિક સમીકરણો રૂપાંતરણનો સારાંશ આપે છે:

જો પ્રારંભિક સામગ્રી સ્ટાર્ચ હોય, દા.ત. મકાઈમાંથી, તો સૌપ્રથમ સ્ટાર્ચને ખાંડમાં રૂપાંતરિત કરવું આવશ્યક છે. બળતણ તરીકે વપરાતા બાયોઇથેનોલ માટે, સ્ટાર્ચ રૂપાંતરણ માટે હાઇડ્રોલિસિસ જરૂરી છે. સામાન્ય રીતે, એસિડિક અથવા એન્ઝાઇમેટિક સારવાર અથવા બંનેના મિશ્રણ દ્વારા હાઇડ્રોલિસિસને ઝડપી બનાવવામાં આવે છે. સામાન્ય રીતે, આથો લગભગ 35-40 °C તાપમાને હાથ ધરવામાં આવે છે.
વિવિધ આથો પ્રક્રિયાઓ પર વિહંગાવલોકન:

ખોરાક:

• ઉત્પાદન & જાળવણી
• ડેરી (લેક્ટિક એસિડ આથો), દા.ત. દહીં, છાશ, કીફિર
• લેક્ટિક આથો શાકભાજી, દા.ત. કિમચી, મિસો, નાટ્ટો, સુકેમોનો, સાર્વક્રાઉટ
• એરોમેટિક્સનો વિકાસ, દા.ત. સોયા સોસ
• ટેનિંગ એજન્ટોનું વિઘટન, દા.ત. ચા, કોકો, કોફી, તમાકુ
• આલ્કોહોલિક પીણાં, દા.ત. બીયર, વાઇન, વ્હિસ્કી

દવા :

• તબીબી સંયોજનોનું ઉત્પાદન, દા.ત. ઇન્સ્યુલિન, હાયલ્યુરોનિક એસિડ

બાયોગેસ/ઇથેનોલ:

• બાયોગેસ/બાયોઇથેનોલ ઉત્પાદનમાં સુધારો

બેન્ચ-ટોપ અને પાયલોટ સાઈઝના વિવિધ સંશોધન પેપર અને પરીક્ષણોએ દર્શાવ્યું છે કે અલ્ટ્રાસાઉન્ડ એન્ઝાઈમેટિક આથો માટે વધુ બાયોમાસ ઉપલબ્ધ કરીને આથોની પ્રક્રિયામાં સુધારો કરે છે. નીચેના વિભાગમાં, પ્રવાહીમાં અલ્ટ્રાસાઉન્ડની અસરોનું વિગતવાર વર્ણન કરવામાં આવશે.

અલ્ટ્રાસોનિક લિક્વિડ પ્રોસેસિંગની અસરો

ઉચ્ચ-શક્તિ/ ઓછી-આવર્તન અલ્ટ્રાસાઉન્ડ દ્વારા ઉચ્ચ કંપનવિસ્તાર પેદા કરી શકાય છે. આ રીતે, ઉચ્ચ-શક્તિ/ ઓછી-આવર્તન અલ્ટ્રાસાઉન્ડનો ઉપયોગ પ્રવાહીની પ્રક્રિયા માટે કરી શકાય છે જેમ કે મિશ્રણ, ઇમલ્સિફાઇંગ, ડિસ્પર્સિંગ અને ડિગગ્લોમેરેશન, અથવા મિલિંગ.
જ્યારે ઉચ્ચ તીવ્રતા પર પ્રવાહીને સોનિક કરે છે, ત્યારે પ્રવાહી માધ્યમોમાં પ્રચાર કરતા ધ્વનિ તરંગો આવર્તન પર આધારીત દર સાથે, ઉચ્ચ-દબાણ (સંકોચન) અને નીચા-દબાણ (વિરલ) ચક્રમાં પરિણમે છે. લો-પ્રેશર ચક્ર દરમિયાન, ઉચ્ચ-તીવ્રતાવાળા અલ્ટ્રાસોનિક તરંગો પ્રવાહીમાં નાના શૂન્યાવકાશ પરપોટા અથવા ખાલી જગ્યાઓ બનાવે છે. જ્યારે પરપોટા એવા જથ્થાને પ્રાપ્ત કરે છે કે જેના પર તેઓ લાંબા સમય સુધી ઊર્જાને શોષી શકતા નથી, ત્યારે તેઓ ઉચ્ચ દબાણ ચક્ર દરમિયાન હિંસક રીતે તૂટી પડે છે. આ ઘટનાને પોલાણ કહેવામાં આવે છે. પોલાણ, તે જ “પ્રવાહીમાં પરપોટાનું નિર્માણ, વૃદ્ધિ અને વિસ્ફોટક પતન. કેવિટેશનલ પતન તીવ્ર સ્થાનિક ગરમી (~5000 કે), ઉચ્ચ દબાણ (~1000 એટીએમ), અને પ્રચંડ ગરમી અને ઠંડક દર ઉત્પન્ન કરે છે (>109 K/sec)” અને લિક્વિડ જેટ સ્ટ્રીમ્સ (~400 km/h)”. (સસલીક 1998)

પોલાણ બનાવવા માટે વિવિધ માધ્યમો છે, જેમ કે ઉચ્ચ દબાણવાળી નોઝલ, રોટર-સ્ટેટર મિક્સર અથવા અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોસેસર દ્વારા. તે તમામ પ્રણાલીઓમાં ઇનપુટ ઊર્જા ઘર્ષણ, અશાંતિ, તરંગો અને પોલાણમાં પરિવર્તિત થાય છે. ઇનપુટ ઊર્જાનો અપૂર્ણાંક કે જે પોલાણમાં રૂપાંતરિત થાય છે તે પ્રવાહીમાં પોલાણ પેદા કરતા સાધનોની હિલચાલનું વર્ણન કરતા ઘણા પરિબળો પર આધાર રાખે છે. પોલાણમાં ઊર્જાના કાર્યક્ષમ રૂપાંતરને પ્રભાવિત કરતા સૌથી મહત્વપૂર્ણ પરિબળો પૈકી એક પ્રવેગકની તીવ્રતા છે. ઉચ્ચ પ્રવેગક ઉચ્ચ દબાણ તફાવત બનાવે છે. આ બદલામાં પ્રવાહી દ્વારા પ્રસરી રહેલા તરંગોના સર્જનને બદલે શૂન્યાવકાશ પરપોટાના નિર્માણની સંભાવનાને વધારે છે. આમ, પોલાણમાં રૂપાંતરિત થતી ઊર્જાનો અપૂર્ણાંક જેટલો ઊંચો પ્રવેગક છે.
અલ્ટ્રાસોનિક ટ્રાન્સડ્યુસરના કિસ્સામાં, ઓસિલેશનનું કંપનવિસ્તાર પ્રવેગકની તીવ્રતાનું વર્ણન કરે છે. ઉચ્ચ કંપનવિસ્તાર પોલાણની વધુ અસરકારક રચનામાં પરિણમે છે. તીવ્રતા ઉપરાંત, પ્રવાહીને અશાંતિ, ઘર્ષણ અને વેવ જનરેશનના સંદર્ભમાં ન્યૂનતમ નુકસાન પહોંચાડવા માટે ઝડપી બનાવવું જોઈએ. આ માટે, શ્રેષ્ઠ માર્ગ એ ચળવળની એકપક્ષીય દિશા છે. સોનિકેશન પ્રક્રિયાની તીવ્રતા અને પરિમાણોને બદલવાથી, અલ્ટ્રાસાઉન્ડ ખૂબ સખત અથવા ખૂબ નરમ હોઈ શકે છે. આ અલ્ટ્રાસાઉન્ડને વિવિધ કાર્યક્રમો માટે બહુમુખી સાધન બનાવે છે.

સોફ્ટ એપ્લિકેશન્સ, હળવા પરિસ્થિતિઓમાં હળવા સોનિકેશન લાગુ કરવા, સમાવેશ થાય છે degassing, પ્રવાહી મિશ્રણ, અને એન્ઝાઇમ સક્રિયકરણ. ઉચ્ચ તીવ્રતા/હાઇ પાવર અલ્ટ્રાસાઉન્ડ (મોટે ભાગે એલિવેટેડ પ્રેશર હેઠળ) સાથે હાર્ડ એપ્લિકેશન્સ છે વેટ-મિલીંગ, ડિગગ્લોમેરેશન & કણોના કદમાં ઘટાડો, અને વિખેરવું. જેમ કે ઘણી એપ્લિકેશનો માટે નિષ્કર્ષણ, વિઘટન અથવા સોનોકેમિસ્ટ્રી, વિનંતી કરેલ અલ્ટ્રાસોનિક તીવ્રતા સોનિકેટ કરવા માટેની ચોક્કસ સામગ્રી પર આધારિત છે. વિવિધ પરિમાણો દ્વારા, જે વ્યક્તિગત પ્રક્રિયામાં અનુકૂળ થઈ શકે છે, અલ્ટ્રાસાઉન્ડ દરેક વ્યક્તિગત પ્રક્રિયા માટે સ્વીટ સ્પોટ શોધવાની મંજૂરી આપે છે.
ઉત્કૃષ્ટ પાવર કન્વર્ઝન ઉપરાંત, અલ્ટ્રાસોનિકેશન સૌથી મહત્વપૂર્ણ પરિમાણો પર સંપૂર્ણ નિયંત્રણનો મોટો ફાયદો આપે છે: કંપનવિસ્તાર, દબાણ, તાપમાન, સ્નિગ્ધતા અને એકાગ્રતા. આ દરેક વિશિષ્ટ સામગ્રી માટે આદર્શ પ્રોસેસિંગ પરિમાણો શોધવાના ઉદ્દેશ્ય સાથે આ બધા પરિમાણોને સમાયોજિત કરવાની સંભાવના પ્રદાન કરે છે. આ ઉચ્ચ અસરકારકતા તેમજ ઑપ્ટિમાઇઝ કાર્યક્ષમતામાં પરિણમે છે.

આથો પ્રક્રિયાઓને સુધારવા માટે અલ્ટ્રાસાઉન્ડ, બાયોઇથેનોલ ઉત્પાદન સાથે ઉદાહરણરૂપ રીતે સમજાવવામાં આવ્યું

બાયોએથેનોલ એ એનારોબિક અથવા એરોબિક બેક્ટેરિયા દ્વારા બાયોમાસ અથવા બાયોડિગ્રેડેબલ કચરાના વિઘટનનું ઉત્પાદન છે. ઉત્પાદિત ઇથેનોલનો ઉપયોગ મુખ્યત્વે બાયોફ્યુઅલ તરીકે થાય છે. આ કુદરતી ગેસ જેવા અશ્મિભૂત ઇંધણ માટે બાયોઇથેનોલને નવીનીકરણીય અને પર્યાવરણને અનુકૂળ વિકલ્પ બનાવે છે.
બાયોમાસમાંથી ઇથેનોલ બનાવવા માટે, ખાંડ, સ્ટાર્ચ અને લિગ્નોસેલ્યુલોસિક સામગ્રીનો ઉપયોગ ફીડસ્ટોક તરીકે કરી શકાય છે. ઔદ્યોગિક ઉત્પાદનના કદ માટે, ખાંડ અને સ્ટાર્ચ હાલમાં મુખ્ય છે કારણ કે તે આર્થિક રીતે અનુકૂળ છે.
અલ્ટ્રાસાઉન્ડ આપેલ શરતો હેઠળ ચોક્કસ ફીડસ્ટોક સાથે ગ્રાહક-વ્યક્તિગત પ્રક્રિયાને કેવી રીતે સુધારે છે તે શક્યતા પરીક્ષણો દ્વારા ખૂબ જ સરળ રીતે અજમાવી શકાય છે. પ્રથમ તબક્કે, અલ્ટ્રાસોનિક સાથે કાચા માલના સ્લરીની થોડી માત્રાનું સોનિકેશન પ્રયોગશાળા ઉપકરણ જો અલ્ટ્રાસાઉન્ડ ફીડસ્ટોકને અસર કરે છે તો બતાવશે.

શક્યતા પરીક્ષણ

પ્રથમ પરીક્ષણ તબક્કામાં, પ્રમાણમાં ઊંચી માત્રામાં અલ્ટ્રાસોનિક ઉર્જાને પ્રવાહીના નાના જથ્થામાં દાખલ કરવું યોગ્ય છે કારણ કે ત્યાંથી કોઈ પરિણામ મેળવી શકાય છે કે કેમ તે જોવાની તક વધે છે. નાના નમૂનાનું પ્રમાણ પણ લેબ ઉપકરણનો ઉપયોગ કરીને સમય ઘટાડે છે અને પ્રથમ પરીક્ષણો માટેના ખર્ચમાં ઘટાડો કરે છે.
અલ્ટ્રાસાઉન્ડ તરંગો સોનોટ્રોડની સપાટી દ્વારા પ્રવાહીમાં પ્રસારિત થાય છે. સોનોટ્રોડ સપાટીની નીચે, અલ્ટ્રાસાઉન્ડની તીવ્રતા સૌથી વધુ તીવ્ર છે. તેથી, સોનોટ્રોડ અને સોનિકેટેડ સામગ્રી વચ્ચેના ટૂંકા અંતરને પ્રાધાન્ય આપવામાં આવે છે. જ્યારે એક નાનું પ્રવાહી વોલ્યુમ ખુલ્લું થાય છે, ત્યારે સોનોટ્રોડથી અંતર ઓછું રાખી શકાય છે.
નીચેનું કોષ્ટક ઓપ્ટિમાઇઝેશન પછી સોનિકેશન પ્રક્રિયાઓ માટે લાક્ષણિક ઉર્જા/વોલ્યુમ સ્તરો દર્શાવે છે. પ્રથમ ટ્રાયલ શ્રેષ્ઠ રૂપરેખાંકન પર ચલાવવામાં આવશે નહીં, તેથી સોનિકેશનની તીવ્રતા અને લાક્ષણિક મૂલ્યના 10 થી 50 ગણો સમય બતાવશે કે સોનિકેટેડ સામગ્રી પર કોઈ અસર છે કે નહીં.

પ્રક્રિયા	ઉર્જા/ વોલ્યુમ	નમૂના વોલ્યુમ	શક્તિ	સમય
સરળ	< 100Ws/mL	10 મિલી	50W	< 20 સે
મધ્યમ	100Ws/mL થી 500Ws/mL	10 મિલી	50W	20 થી 100 સે
કઠણ	> 500Ws/mL	10 મિલી	50W	>100 સે

કોષ્ટક 1 – પ્રક્રિયા ઑપ્ટિમાઇઝેશન પછી લાક્ષણિક સોનિકેશન મૂલ્યો

ટેસ્ટ રનના વાસ્તવિક પાવર ઇનપુટને સંકલિત ડેટા રેકોર્ડિંગ દ્વારા રેકોર્ડ કરી શકાય છે (UP200Ht અને UP200St), PC-ઇન્ટરફેસ અથવા પાવરમીટર દ્વારા. કંપનવિસ્તાર સેટિંગ અને તાપમાનના રેકોર્ડ કરેલા ડેટા સાથે સંયોજનમાં, દરેક અજમાયશના પરિણામોનું મૂલ્યાંકન કરી શકાય છે અને ઊર્જા/વોલ્યુમ માટે નીચેની રેખા સ્થાપિત કરી શકાય છે.
જો પરીક્ષણો દરમિયાન એક શ્રેષ્ઠ રૂપરેખાંકન પસંદ કરવામાં આવ્યું હોય, તો આ રૂપરેખાંકન કાર્યક્ષમતા ઓપ્ટિમાઇઝેશન સ્ટેપ દરમિયાન ચકાસી શકાય છે અને અંતે તેને વ્યાપારી સ્તર સુધી માપી શકાય છે. ઑપ્ટિમાઇઝેશનને સરળ બનાવવા માટે, ચોક્કસ ફોર્મ્યુલેશન માટે પણ સોનિકેશનની મર્યાદાઓ, દા.ત. તાપમાન, કંપનવિસ્તાર અથવા ઊર્જા/વોલ્યુમનું પરીક્ષણ કરવાની ખૂબ ભલામણ કરવામાં આવે છે. અલ્ટ્રાસાઉન્ડ કોષો, રસાયણો અથવા કણો પર નકારાત્મક અસરો પેદા કરી શકે છે, તેથી નીચેની ઑપ્ટિમાઇઝેશનને પેરામીટર શ્રેણી સુધી મર્યાદિત કરવા માટે દરેક પરિમાણ માટે નિર્ણાયક સ્તરોની તપાસ કરવાની જરૂર છે જ્યાં નકારાત્મક અસરો જોવા મળતી નથી. સંભવિતતા અભ્યાસ માટે નાની લેબ અથવા બેન્ચ-ટોપ એકમોને આવા ટ્રાયલ્સમાં સાધનો અને નમૂનાઓ માટેના ખર્ચને મર્યાદિત કરવાની ભલામણ કરવામાં આવે છે. સામાન્ય રીતે 100 થી 1,000 વોટના એકમો શક્યતા અભ્યાસના હેતુઓને ખૂબ સારી રીતે પૂર્ણ કરે છે. (cf. Hielscher 2005)

ઑપ્ટિમાઇઝેશન

સંભવિતતા અભ્યાસો દરમિયાન પ્રાપ્ત થયેલા પરિણામો સારવાર કરેલ નાના જથ્થાના સંદર્ભમાં ખૂબ ઊંચી ઉર્જા વપરાશ દર્શાવે છે. પરંતુ સંભવિતતા પરીક્ષણનો હેતુ મુખ્યત્વે સામગ્રી પર અલ્ટ્રાસાઉન્ડની અસરો બતાવવાનો છે. જો શક્યતા પરીક્ષણમાં સકારાત્મક અસરો જોવા મળે છે, તો ઊર્જા/વોલ્યુમ રેશિયોને ઑપ્ટિમાઇઝ કરવા માટે વધુ પ્રયત્નો કરવા જોઈએ. આનો અર્થ એ છે કે પ્રક્રિયાને આર્થિક રીતે સૌથી વધુ વ્યાજબી અને કાર્યક્ષમ બનાવવા માટે શક્ય ઓછી ઉર્જાનો ઉપયોગ કરીને ઉચ્ચતમ ઉપજ હાંસલ કરવા માટે અલ્ટ્રાસાઉન્ડ પરિમાણોના આદર્શ રૂપરેખાંકનનું અન્વેષણ કરવું. શ્રેષ્ઠ પરિમાણ રૂપરેખાંકન શોધવા માટે – ન્યૂનતમ ઉર્જા ઇનપુટ સાથે ઇચ્છિત લાભો મેળવવા - સૌથી મહત્વપૂર્ણ પરિમાણો વચ્ચેનો સંબંધ કંપનવિસ્તાર, દબાણ, તાપમાન અને પ્રવાહી રચનાની તપાસ થવી જોઈએ. આ બીજા પગલામાં બેચ સોનિકેશનથી ફ્લો સેલ રિએક્ટર સાથે સતત સોનિકેશન સેટઅપમાં ફેરફારની ભલામણ કરવામાં આવે છે કારણ કે બેચ સોનિકેશન માટે દબાણના મહત્વપૂર્ણ પરિમાણને પ્રભાવિત કરી શકાતું નથી. બેચમાં sonication દરમિયાન, દબાણ આસપાસના દબાણ સુધી મર્યાદિત છે. જો સોનિકેશન પ્રક્રિયા દબાણયુક્ત ફ્લો સેલ ચેમ્બરમાંથી પસાર થાય છે, તો દબાણ એલિવેટેડ (અથવા ઘટાડી શકાય છે) જે સામાન્ય રીતે અલ્ટ્રાસોનિકને અસર કરે છે. પોલાણ ભારે ફ્લો સેલનો ઉપયોગ કરીને, દબાણ અને પ્રક્રિયા કાર્યક્ષમતા વચ્ચેનો સંબંધ નક્કી કરી શકાય છે. વચ્ચે અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોસેસર્સ 500 વોટ અને 2000 વોટ પ્રક્રિયાને ઑપ્ટિમાઇઝ કરવા માટે શક્તિ સૌથી યોગ્ય છે.

વાણિજ્યિક ઉત્પાદન સુધીનું ધોરણ

જો શ્રેષ્ઠ રૂપરેખાંકન મળી આવ્યું હોય, તો વધુ સ્કેલ-અપ સરળ છે કારણ કે અલ્ટ્રાસોનિક પ્રક્રિયાઓ રેખીય સ્કેલ પર સંપૂર્ણપણે પ્રજનનક્ષમ. આનો અર્થ એ છે કે, જ્યારે અલ્ટ્રાસાઉન્ડ સમાન પ્રોસેસિંગ પેરામીટર કન્ફિગરેશન હેઠળ સમાન પ્રવાહી ફોર્મ્યુલેશન પર લાગુ કરવામાં આવે છે, ત્યારે પ્રક્રિયાના સ્કેલથી સ્વતંત્ર સમાન પરિણામ મેળવવા માટે વોલ્યુમ દીઠ સમાન ઊર્જાની જરૂર પડે છે. (Hielscher 2005). તે અલ્ટ્રાસાઉન્ડના શ્રેષ્ઠ પેરામીટર રૂપરેખાંકનને પૂર્ણ સ્કેલ ઉત્પાદન કદ સુધી અમલમાં મૂકવાનું શક્ય બનાવે છે. વર્ચ્યુઅલ રીતે, અલ્ટ્રાસોનિકલી પ્રક્રિયા કરી શકાય તે વોલ્યુમ અમર્યાદિત છે. સુધીની સાથે કોમર્શિયલ અલ્ટ્રાસોનિક સિસ્ટમ્સ 16,000 વોટ પ્રતિ યુનિટ ઉપલબ્ધ છે અને ક્લસ્ટરમાં ઇન્સ્ટોલ કરી શકાય છે. અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોસેસર્સના આવા ક્લસ્ટર સમાંતર અથવા શ્રેણીમાં ઇન્સ્ટોલ કરી શકાય છે. હાઇ પાવર અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોસેસર્સના ક્લસ્ટર મુજબ ઇન્સ્ટોલેશન દ્વારા, કુલ પાવર લગભગ અમર્યાદિત છે જેથી ઉચ્ચ વોલ્યુમ સ્ટ્રીમ્સ પર સમસ્યા વિના પ્રક્રિયા કરી શકાય. તેમજ જો અલ્ટ્રાસોનિક સિસ્ટમના અનુકૂલનની આવશ્યકતા હોય, દા.ત. પરિમાણને સંશોધિત પ્રવાહી ફોર્મ્યુલેશનમાં સમાયોજિત કરવા માટે, આ મોટે ભાગે સોનોટ્રોડ, બૂસ્ટર અથવા ફ્લો સેલ બદલીને કરી શકાય છે. રેખીય માપનીયતા, પુનઃઉત્પાદનક્ષમતા અને અલ્ટ્રાસાઉન્ડની અનુકૂલનક્ષમતા આ નવીન તકનીકને કાર્યક્ષમ અને ખર્ચ-અસરકારક બનાવે છે.

અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોસેસિંગના પરિમાણો

અલ્ટ્રાસોનિક લિક્વિડ પ્રોસેસિંગને સંખ્યાબંધ પરિમાણો દ્વારા વર્ણવવામાં આવે છે. સૌથી મહત્વપૂર્ણ કંપનવિસ્તાર, દબાણ, તાપમાન, સ્નિગ્ધતા અને સાંદ્રતા છે. આપેલ પરિમાણ રૂપરેખાંકન માટે પ્રક્રિયા પરિણામ, જેમ કે કણોનું કદ, પ્રક્રિયા કરેલ વોલ્યુમ દીઠ ઊર્જાનું કાર્ય છે. વ્યક્તિગત પરિમાણોમાં ફેરફાર સાથે કાર્ય બદલાય છે. વધુમાં, અલ્ટ્રાસોનિક યુનિટના સોનોટ્રોડના સપાટી વિસ્તાર દીઠ વાસ્તવિક પાવર આઉટપુટ પરિમાણો પર આધાર રાખે છે. સોનોટ્રોડના સપાટી વિસ્તાર દીઠ પાવર આઉટપુટ એ સપાટીની તીવ્રતા (I) છે. સપાટીની તીવ્રતા કંપનવિસ્તાર (A), દબાણ (p), રિએક્ટર વોલ્યુમ (VR), તાપમાન (T), સ્નિગ્ધતા (η) અને અન્ય પર આધારિત છે.

પેદા થયેલા પોલાણની અસર સપાટીની તીવ્રતા પર આધારિત છે. તે જ રીતે, પ્રક્રિયા પરિણામ સહસંબંધ ધરાવે છે. અલ્ટ્રાસોનિક યુનિટનું કુલ પાવર આઉટપુટ એ સપાટીની તીવ્રતા (I) અને સપાટી વિસ્તાર (S) નું ઉત્પાદન છે:

પી [ડબલ્યુ] આઈ [ડબલ્યુ / મીમી²]* s[મીમી²]

કંપનવિસ્તાર

ઓસિલેશનનું કંપનવિસ્તાર આપેલ સમય (દા.ત. 1/20,000s 20kHz પર) સોનોટ્રોડની સપાટી કેવી રીતે (દા.ત. 50 µm) મુસાફરી કરે છે તેનું વર્ણન કરે છે. કંપનવિસ્તાર જેટલું મોટું છે, દરેક સ્ટ્રોક પર દબાણ ઘટે છે અને વધે છે તેટલો ઊંચો દર છે. તે ઉપરાંત, દરેક સ્ટ્રોકનું વોલ્યુમ ડિસ્પ્લેસમેન્ટ વધે છે જેના પરિણામે મોટા પોલાણ વોલ્યુમ (બબલનું કદ અને/અથવા સંખ્યા) થાય છે. જ્યારે વિક્ષેપો પર લાગુ થાય છે, ત્યારે ઉચ્ચ કંપનવિસ્તાર ઘન કણો માટે ઉચ્ચ વિનાશ દર્શાવે છે. કોષ્ટક 1 કેટલીક અલ્ટ્રાસોનિક પ્રક્રિયાઓ માટે સામાન્ય મૂલ્યો દર્શાવે છે.

દબાણ

પ્રવાહીનું ઉત્કલન બિંદુ દબાણ પર આધારિત છે. દબાણ જેટલું ઊંચું છે તે ઉત્કલન બિંદુ છે, અને વિપરીત છે. એલિવેટેડ દબાણ ઉત્કલન બિંદુની નજીક અથવા ઉપરના તાપમાને પોલાણને મંજૂરી આપે છે. તે ઇમ્પ્લોશનની તીવ્રતામાં પણ વધારો કરે છે, જે સ્થિર દબાણ અને બબલની અંદરના વરાળના દબાણ વચ્ચેના તફાવત સાથે સંબંધિત છે (cf. Vercet et al. 1999). દબાણમાં ફેરફાર સાથે અલ્ટ્રાસોનિક પાવર અને તીવ્રતા ઝડપથી બદલાતી હોવાથી, સતત-પ્રેશર પંપ વધુ સારું છે. ફ્લો-સેલને પ્રવાહી સપ્લાય કરતી વખતે પંપ યોગ્ય દબાણે ચોક્કસ પ્રવાહી પ્રવાહને નિયંત્રિત કરવામાં સક્ષમ હોવો જોઈએ. ડાયાફ્રેમ અથવા પટલ પંપ; લવચીક-ટ્યુબ, નળી અથવા સ્ક્વિઝ પંપ; પેરીસ્ટાલ્ટિક પંપ; અથવા પિસ્ટન અથવા પ્લેન્જર પંપ વૈકલ્પિક દબાણની વધઘટ બનાવશે. સેન્ટ્રીફ્યુગલ પંપ, ગિયર પંપ, સર્પાકાર પંપ અને પ્રગતિશીલ કેવિટી પંપ કે જે સતત સ્થિર દબાણ પર સોનિકેટ થવા માટે પ્રવાહી પૂરા પાડે છે તે પસંદ કરવામાં આવે છે. (Hielscher 2005)

તાપમાન

પ્રવાહીને sonicating દ્વારા, શક્તિ માધ્યમમાં પ્રસારિત થાય છે. જેમ કે અલ્ટ્રાસોનિકલી જનરેટેડ ઓસિલેશન ગરબડ અને ઘર્ષણનું કારણ બને છે, સોનિકેટેડ પ્રવાહી - થર્મોડાયનેમિક્સના કાયદા અનુસાર – ગરમ થશે. પ્રક્રિયા કરેલ માધ્યમનું એલિવેટેડ તાપમાન સામગ્રી માટે વિનાશક બની શકે છે અને અલ્ટ્રાસોનિક પોલાણની અસરકારકતામાં ઘટાડો કરી શકે છે. નવીન અલ્ટ્રાસોનિક ફ્લો કોષો કૂલિંગ જેકેટથી સજ્જ છે (ચિત્ર જુઓ). તે દ્વારા, અલ્ટ્રાસોનિક પ્રક્રિયા દરમિયાન સામગ્રીના તાપમાન પર ચોક્કસ નિયંત્રણ આપવામાં આવે છે. નાની માત્રાના બીકર સોનિકેશન માટે ગરમીના વિસર્જન માટે બરફના સ્નાનની ભલામણ કરવામાં આવે છે.

સ્નિગ્ધતા અને સાંદ્રતા

અલ્ટ્રાસોનિક પીસવું અને વિખેરવું પ્રવાહી પ્રક્રિયાઓ છે. કણો સસ્પેન્શનમાં હોવા જોઈએ, દા.ત. પાણી, તેલ, દ્રાવક અથવા રેઝિન. અલ્ટ્રાસોનિક ફ્લો-થ્રુ સિસ્ટમ્સના ઉપયોગ દ્વારા, ખૂબ જ ચીકણું, પેસ્ટી સામગ્રીને સોનીકેટ કરવાનું શક્ય બને છે.
હાઇ-પાવર અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોસેસર એકદમ ઉચ્ચ ઘન સાંદ્રતા પર ચલાવી શકાય છે. ઉચ્ચ સાંદ્રતા અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોસેસિંગની અસરકારકતા પૂરી પાડે છે, કારણ કે અલ્ટ્રાસોનિક મિલિંગ અસર આંતર-કણ અથડામણને કારણે થાય છે. તપાસ દર્શાવે છે કે સિલિકાનો તૂટવાનો દર વજન દ્વારા 50% સુધી ઘન સાંદ્રતાથી સ્વતંત્ર છે. ઉચ્ચ કેન્દ્રિત સામગ્રીના ગુણોત્તર સાથે માસ્ટર બેચની પ્રક્રિયા અલ્ટ્રાસોનિકેશનનો ઉપયોગ કરીને સામાન્ય ઉત્પાદન પ્રક્રિયા છે.

શક્તિ અને તીવ્રતા વિ. ઊર્જા

સપાટીની તીવ્રતા અને કુલ શક્તિ માત્ર પ્રક્રિયાની તીવ્રતાનું વર્ણન કરે છે. સોનિકેટેડ સેમ્પલ વોલ્યુમ અને ચોક્કસ તીવ્રતા પર એક્સપોઝરનો સમય સોનિકેશન પ્રક્રિયાનું વર્ણન કરવા માટે તેને સ્કેલેબલ અને પુનઃઉત્પાદનયોગ્ય બનાવવા માટે ધ્યાનમાં લેવો જોઈએ. આપેલ પરિમાણ રૂપરેખાંકન માટે પ્રક્રિયા પરિણામ, દા.ત. કણોનું કદ અથવા રાસાયણિક રૂપાંતર, વોલ્યુમ દીઠ ઊર્જા (E/V) પર આધાર રાખે છે.

પરિણામ = એફ (ઇ /વી )

જ્યાં ઊર્જા (E) એ પાવર આઉટપુટ (P) અને એક્સપોઝરનો સમય (t) નું ઉત્પાદન છે.

ઇ[Ws] = પી[ડબલ્યુ]*t[s]

પરિમાણ રૂપરેખાંકનમાં ફેરફારો પરિણામ કાર્યને બદલશે. આ બદલામાં ચોક્કસ પરિણામ મૂલ્ય મેળવવા માટે આપેલ નમૂના મૂલ્ય (V) માટે જરૂરી ઊર્જા (E) ની માત્રામાં ફેરફાર કરશે. આ કારણોસર પરિણામ મેળવવા માટે પ્રક્રિયામાં અલ્ટ્રાસાઉન્ડની ચોક્કસ શક્તિનો ઉપયોગ કરવો પૂરતો નથી. જરૂરી પાવર અને પેરામીટર કન્ફિગરેશનને ઓળખવા માટે વધુ સુસંસ્કૃત અભિગમ જરૂરી છે કે જેના પર પાવરને પ્રક્રિયા સામગ્રીમાં મૂકવો જોઈએ. (Hielscher 2005)

બાયોઇથેનોલનું અલ્ટ્રાસોનિકલી આસિસ્ટેડ ઉત્પાદન

તે પહેલેથી જ જાણીતું છે કે અલ્ટ્રાસાઉન્ડ બાયોઇથેનોલના ઉત્પાદનમાં સુધારો કરે છે. બાયોમાસ સાથે પ્રવાહીને ખૂબ જ ચીકણું સ્લરી બનાવવાની ભલામણ કરવામાં આવે છે જે હજુ પણ પમ્પ કરી શકાય છે. અલ્ટ્રાસોનિક રિએક્ટર એકદમ ઉચ્ચ ઘન સાંદ્રતાને નિયંત્રિત કરી શકે છે જેથી સોનિકેશન પ્રક્રિયા સૌથી વધુ કાર્યક્ષમ રીતે ચલાવી શકાય. વધુ સામગ્રી સ્લરીમાં સમાયેલ છે, ઓછા વાહક પ્રવાહી, જે સોનિકેશન પ્રક્રિયામાંથી નફો નહીં કરે, તેની સારવાર કરવામાં આવશે. પ્રવાહીમાં ઊર્જાનું ઇનપુટ થર્મોડાયનેમિક્સના કાયદા દ્વારા પ્રવાહીને ગરમ કરવા માટેનું કારણ બને છે, આનો અર્થ એ છે કે અલ્ટ્રાસોનિક ઊર્જા શક્ય હોય ત્યાં સુધી લક્ષ્ય સામગ્રી પર લાગુ થાય છે. આવી કાર્યક્ષમ પ્રક્રિયા ડિઝાઇન દ્વારા, વધારાના વાહક પ્રવાહીની નકામી ગરમી ટાળવામાં આવે છે.
અલ્ટ્રાસાઉન્ડ મદદ કરે છે નિષ્કર્ષણ અંતઃકોશિક સામગ્રી અને તેને એન્ઝાઇમેટિક આથો માટે ઉપલબ્ધ બનાવે છે. હળવી અલ્ટ્રાસાઉન્ડ સારવાર એન્ઝાઈમેટિક પ્રવૃત્તિમાં વધારો કરી શકે છે, પરંતુ બાયોમાસ નિષ્કર્ષણ માટે વધુ તીવ્ર અલ્ટ્રાસાઉન્ડની જરૂર પડશે. આથી, ઉત્સેચકોને સોનિકેશન પછી બાયોમાસ સ્લરીમાં ઉમેરવા જોઈએ કારણ કે તીવ્ર અલ્ટ્રાસાઉન્ડ ઉત્સેચકોને નિષ્ક્રિય કરે છે, જે ઇચ્છિત અસર નથી.

વૈજ્ઞાનિક સંશોધન દ્વારા પ્રાપ્ત વર્તમાન પરિણામો:

Yoswathana et al ના અભ્યાસ. (2010) ચોખાના સ્ટ્રોમાંથી બાયોઇથેનોલના ઉત્પાદન અંગે દર્શાવે છે કે એન્ઝાઈમેટિક ટ્રીટમેન્ટ પહેલા એસિડ પ્રી-ટ્રીટમેન્ટ અને અલ્ટ્રાસોનિકનું મિશ્રણ 44% સુધી (ચોખાના સ્ટ્રોના આધારે) ખાંડની ઉપજમાં વધારો કરે છે. આ લિગ્નોસેલ્યુલોઝ સામગ્રીના એન્ઝાઇમેટિક હાઇડ્રોલિસિસથી ખાંડમાં ભૌતિક અને રાસાયણિક પ્રીટ્રીટમેન્ટના સંયોજનની અસરકારકતા દર્શાવે છે.

ચાર્ટ 2 ચોખાના સ્ટ્રોમાંથી બાયોઇથેનોલ ઉત્પાદન દરમિયાન અલ્ટ્રાસોનિક ઇરેડિયેશનની હકારાત્મક અસરોને ગ્રાફિકલી દર્શાવે છે. (ચારકોલનો ઉપયોગ એસિડ/એન્ઝાઇમ પ્રીટ્રીટમેન્ટ અને અલ્ટ્રાસોનિક પ્રીટ્રીટમેન્ટમાંથી પ્રીટ્રીટેડ સેમ્પલને ડિટોક્સિફાય કરવા માટે કરવામાં આવ્યો છે.)

અન્ય તાજેતરના અભ્યાસમાં, β-galactosidase એન્ઝાઇમના એક્સ્ટ્રા સેલ્યુલર અને ઇન્ટ્રાસેલ્યુલર સ્તરો પર અલ્ટ્રાસોનિકેશનના પ્રભાવની તપાસ કરવામાં આવી છે. સુલેમાન એટ અલ. (2011) ક્લુવેરોમીસીસ માર્ક્સિયનસ (ATCC 46537) ના યીસ્ટ વૃદ્ધિને ઉત્તેજિત કરતા નિયંત્રિત તાપમાને અલ્ટ્રાસાઉન્ડનો ઉપયોગ કરીને, બાયોએથેનોલ ઉત્પાદનની ઉત્પાદકતામાં નોંધપાત્ર સુધારો કરી શકે છે. પેપરના લેખકો ફરી શરૂ કરે છે કે ≤20% ઉત્તેજિત બાયોમાસ ઉત્પાદન, લેક્ટોઝ ચયાપચય અને K. માર્ક્સિયનસમાં ઇથેનોલ ઉત્પાદનના ફરજ ચક્ર પર પાવર અલ્ટ્રાસાઉન્ડ (20 kHz) સાથે તૂટક તૂટક સોનિકેશન 11.8Wcm ની પ્રમાણમાં ઊંચી સોનિકેશન તીવ્રતા પર.^-2. શ્રેષ્ઠ પરિસ્થિતિઓ હેઠળ, સોનિકેશન એ અંતિમ ઇથેનોલ સાંદ્રતામાં નિયંત્રણની તુલનામાં લગભગ 3.5-ગણો વધારો કર્યો છે. આ ઇથેનોલ ઉત્પાદકતામાં 3.5-ગણા વૃદ્ધિને અનુરૂપ છે, પરંતુ સોનિકેશન દ્વારા સૂપના ઘન મીટર દીઠ 952W વધારાના પાવર ઇનપુટની જરૂર છે. ઊર્જા માટેની આ વધારાની જરૂરિયાત ચોક્કસપણે બાયોરિએક્ટર માટે સ્વીકાર્ય ઓપરેશનલ ધોરણોની અંદર હતી અને, ઉચ્ચ મૂલ્યના ઉત્પાદનો માટે, વધેલી ઉત્પાદકતા દ્વારા સરળતાથી વળતર આપી શકાય છે.

નિષ્કર્ષ: અલ્ટ્રાસોનિકલી-આસિસ્ટેડ આથોમાંથી લાભો

અલ્ટ્રાસોનિક સારવારને બાયોઇથેનોલની ઉપજ વધારવા માટે એક કાર્યક્ષમ અને નવીન તકનીક તરીકે દર્શાવવામાં આવી છે. પ્રાથમિક રીતે, અલ્ટ્રાસાઉન્ડનો ઉપયોગ બાયોમાસમાંથી અંતઃકોશિક સામગ્રી કાઢવા માટે થાય છે, જેમ કે મકાઈ, સોયાબીન, સ્ટ્રો, લિગ્નો-સેલ્યુલોસિક સામગ્રી અથવા વનસ્પતિ કચરો.

• બાયોઇથેનોલ ઉપજમાં વધારો
• વિઘટન/કોષનો નાશ અને ઇન્ટ્રા-સેલ્યુલર સામગ્રીનું પ્રકાશન
• સુધારેલ એનારોબિક વિઘટન
• હળવા sonication દ્વારા ઉત્સેચકો સક્રિયકરણ
• ઉચ્ચ સાંદ્રતા સ્લરી દ્વારા પ્રક્રિયા કાર્યક્ષમતામાં સુધારો

સરળ પરીક્ષણ, પુનઃઉત્પાદનપાત્ર સ્કેલ-અપ અને સરળ ઇન્સ્ટોલેશન (પહેલેથી અસ્તિત્વમાં છે તે ઉત્પાદન સ્ટ્રીમ્સમાં પણ) અલ્ટ્રાસોનિક્સને નફાકારક અને કાર્યક્ષમ તકનીક બનાવે છે. વ્યાપારી પ્રક્રિયા માટે વિશ્વસનીય ઔદ્યોગિક અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોસેસર ઉપલબ્ધ છે અને વર્ચ્યુઅલ અમર્યાદિત પ્રવાહી વોલ્યુમોને સોનિકેટ કરવાનું શક્ય બનાવે છે.