תְסִיסָה

תסיסה יכול להיות אירובית (= תסיסה חמצוני) או בתהליך אנאירובי, אשר משמש עבור יישומים ביוטכנולוגיים להמיר חומר אורגני על ידי חיידקים, פטריות או תרביות תאים ביולוגיים אחרים או על ידי אנזימים. על ידי תסיסה, האנרגיה מופקת החמצון של תרכובות אורגניות, למשל, פחמימות.

סוכר הוא המצע הנפוץ ביותר של תסיסה, והתוצאה לאחר תסיסה במוצרים כגון חומצה לקטית, לקטוז, אתנול ומימן. במשך התסיסה האלכוהולית, אתנול - במיוחד לשימוש כדלק, אלא גם עבור משקאות אלכוהוליים – מופק על ידי תסיסה. כאשר זני שמרים מסוימים, כגון שמר האפייה לעכל סוכר, התאים שמרים להמיר חומר המוצא לתוך אתנול ופחמן דו חמצני.

המשוואות הכימיות מתחת לסכם את ההמרה:

אם החומר ההתחלתי הוא עמילן, למשל: מתירס, ראשית העמילן חייב להיות מומר סוכר. עבור bioethanol לשמש כדלק, הידרוליזה עבור המרת העמילן נדרשה. בדרך כלל, הידרוליזה מואץ על ידי טיפול חומצי או אנזימטי או על ידי שילוב של שניהם. בדרך כלל, התסיסה מתבצעת בסביבות 35-40 מעלות צלזיוס.
סקירה כללית על תהליכי תסיסה שונים:

מזון :

• הפקה & שְׁמִירָה
• חלב (תסיסת חומצת חלב), למשל: יוגורט, חמאה, קפיר
• ירקות לקטית מותססים, למשל, קמחי, מיסו, נאטו, tsukemono, כרוב כבוש
• פיתוח של מוצרים ארומטיים, למשל: רוטב סויה
• פירוק של סוכני שיזוף, למשל: תה, קקאו, קפה, טבק
• משקאות אלכוהוליים, למשל: בירה, יין, ויסקי

סמים:

• ייצור של תרכובות רפואיות, למשל: אינסולין, חומצה היאלורונית

ביוגז / אתנול:

• שיפור של ביוגז / ייצור ביו-

ניירות בדיקות מחקר שונים בגודלם ספסל העליון ואת הטייס הראו אולטרסאונד המשפר את תהליך התסיסה על ידי הפיכה יותר ביומסה זמינה עבור התסיסה אנזימטי. בסעיף הבא, את ההשפעות של אולטרסאונד בנוזל שתפורטנה.

אפקטים של עיבוד נוזלי אולטרסאונד

על ידי הספק גבוה / אולטרסאונד בתדירות נמוכה אמפליטודות גבוה יכול להיווצר. ובכך, הספק גבוה / אולטרסאונד בתדר נמוך יכול לשמש לעיבוד נוזלים כגון ערבוב, emulsifying, פיזור ו deagglomeration, או טחינה.
כאשר sonicating נוזל בעצימויות גבוהות, גלי הקול להפיץ לכלי התקשורת הנוזלית לגרום לסירוגין בלחץ גבוה (דחיסה) בלחץ נמוך (דִבלוּל) מחזורי, עם שיעורי תלויים בתדירות. במהלך המחזור בלחץ נמוך, גלים קוליים בעצמה גבוהה ליצור בועות ואקום קטנות או חללים הנזילים. כאשר הבועות להשיג נפח שבו הם כבר לא יכולים לספוג אנרגיה, שהם מתמוטטים באלימות במהלך מחזור בלחץ גבוה. תופעה זו נקראת cavitation. cavitation, זה “היווצרות, צמיחה, וקריסה של קריסה של בועות בתוך הנוזל. קריסת Cavitational מייצרת חימום מקומי אינטנסיבי (~ 5000 K), לחצים גבוהים (~ 1000 ATM), וחימום עצום ושיעורי קירור (>109 K / sec)” ו סילוני נוזל (~ 400 ק"מ / שעה)". (Suslick 1998)

ישנם אמצעים שונים כדי ליצור cavitation, כגון על ידי חרירי בלחץ גבוה, מערבבים רוטור stator, או מעבדים קוליים. בכל מערכות אלה האנרגיה קלט הופך חיכוך, מערבולת, גלים cavitation. השבר של אנרגיית הקלט שהופכת לחלל השתנה תלוי במספר גורמים המתארים את תנועת הציוד שיוצר את הציוד בנוזל. עוצמת האצה היא אחד הגורמים החשובים ביותר המשפיעים על שינוי יעיל של אנרגיה לתוך cavitation. האצה גבוהה יוצרת הבדלי לחץ גבוהים יותר. זה בתורו מגדיל את ההסתברות של יצירת בועות ואקום במקום יצירת גלים המתפשטים דרך הנוזל. לפיכך, ככל שההאצה גבוהה יותר, כך גבוה יותר, חלקו של האנרגיה שהופך לחלל.
במקרה של מתמר קולי, את המשרעת של התנודה מתאר את עוצמת ההאצה. אמפליטודות גבוהה לגרום יצירה יעילה יותר של cavitation. בנוסף האינטנסיביות, את הנוזל צריך להיות מואץ דרך ליצור הפסדים מינימאליים במונחים של turbulences, חיכוך דור גל. לשם כך, הדרך האופטימלית היא בכיוון חד צדדי של תנועה. שינוי עוצמת ופרמטרים של התהליך sonication, אולטרסאונד יכול להיות מאוד קשה או רך מאוד. זה עושה אולטרסאונד כלי מאוד תכליתי עבור יישומים שונים.

יישומים קלים, החלימו sonication הקל בתנאים קלים, הכוללים מתרסק, מתחמק, והפעלת אנזים. יישומים Hard בעוצמה גבוהה / אולטרסאונד הספק גבוה (בעיקר בלחץ גבוה) הם רטוב רטוב, דגלומרציה & הפחתת גודל חלקיקים, ו פיזור. עבור יישומים רבים כגון הוֹצָאָההתפוררות, או סונוכימיה, עוצמת הקולי בקשה תלויה בחומר המבוקש כדי להיות sonicated. על ידי מגוון של פרמטרים, אשר ניתן להתאים את תהליך הפרט, אולטרסאונד מאפשר למצוא את הנקודה המתוקה לכל תהליך הפרט.
מלבד המרת כוח מצטיינת, ultrasonication מציעה את היתרון הגדול של שליטה מלאה על הפרמטרים החשובים ביותר: משרעת, לחצו, טמפרטורה, צמיגות, וריכוז. זו מציעה את האפשרות להתאים את כל הפרמטרים הללו במטרה למצוא את פרמטרי עיבוד האידיאליים עבור כל חומר ספציפי. התוצאה היא יעילות גבוהה כמו גם יעיל אופטימלי.

אולטראסאונד כדי לשפר תהליכי תסיסה, הסביר exemplarily עם ייצור ביו-

Bioethanol הוא תוצר של פירוק של ביומסה או משנה מתכלה של פסולת על ידי חיידקים אנארוביים או אירובי. אתנול המיוצר משמש בעיקר דלק אורגני. זה עושה bioethanol אלטרנטיבה מתחדשת וידידותית לסביבה עבור דלקים מאובנים, כגון גז טבעי.
כדי לייצר אתנול מביומסה, סוכר, עמילן, חומר lignocellulosic יכול לשמש כחומר גלם. עבור גודל ייצור תעשייתי, סוכר ועמילן הם השולטים כיום כפי שהם נוחים מבחינה כלכלית.
איך אולטרסאונד משפר תהליך פרט-לקוח עם זינה ספציפית בתנאים נתונים ניתן לנסות לפרק זמן קצר פשוט על ידי בדיקות היתכנות. באותו השלב הראשון, sonication של כמות קטנה של תרחיף חומר הגלם עם קולים מכשיר מעבדה יראה, אם אולטרסאונד משפיע זינה.

בדיקת היתכנות

בשלב הראשון בודק, הוא מתאים להציג כמות גבוהה יחסית של אנרגיה קולית לתוך נפח קטן של הנוזל כמו ובכך מגדילה ההזדמנות לראות אם תוצאות כל ניתן להשיג. נפח דגימה קטנה גם מקצר את זמן השימוש במכשיר במעבדה חתכים עלויות הבדיקות הראשונות.
גלי אולטרסאונד מועברים על ידי המשטח של sonotrode לתוך הנוזל. Beneth שטח sonotrode, עוצמת אולטרסאונד היא אינטנסיבית ביותר. ובכך, מרחקים קצרים בין sonotrode וחומר sonicated עדיפים. כאשר נפח נוזל קטן חשוף, המרחק מן sonotrode יכול להישמר קצר.
הטבלה להלן מציגה את רמות אנרגיה / נפח אופייניות תהליכי sonication לאחר אופטימיזציה. מאז משפטיים מלכתחילה לא יהיה להפעיל בו תצורה אופטימלית, עוצמת sonication וזמן ב -10 עד 50 פעמים המשווות הטיפוסי ייראה אם ​​יש השפעה כלשהי על חומר sonicated או לא.

תהליך	אֵנֶרְגִיָה/ כרך	נפח דגימה	כּוֹחַ	זְמַן
פָּשׁוּט	< 100Ws / מ"ל	10 מיליליטר	200	< 20 שניות
בינוני	100Ws / מ"ל ​​ל 500Ws / מ"ל	10 מיליליטר	200	20 עד 100 שניות
קָשֶׁה	> 500Ws / מ"ל	10 מיליליטר	200	>100 שניות

שולחן 1 – ערכי sonication אופייניים לאחר תהליך אופטימיזציה

קלט הכח האמיתי של ריצות המבחן ניתן להקליט באמצעות הקלטת נתונים משולבת (Uf200 ः t ו UP200St), PC-ממשק או על ידי powermeter. בשילוב עם הנתונים שנרשמו של הגדרה משרעת טמפרטורות, את התוצאות של כל ניסוי ניתן להעריך ואת שורה תחתונה עבור נפח האנרגיה / ניתן להקים.
אם במהלך הבדיקות נבחרה תצורה אופטימלית, ביצועי תצורה אלו ניתנים לאמת במהלך שלב מיטוב וניתן לשנותם עד לרמה המסחרית. כדי להקל על אופטימיזציה, מומלץ מאוד לבחון את גבולות sonication, למשל טמפרטורה, משרעת או אנרגיה / נפח עבור ניסוחים ספציפיים, מדי. כמו אולטרסאונד יכול לייצר השפעות שליליות על תאים, כימיקלים או חלקיקים, רמות קריטי עבור כל פרמטר צריך להיבדק על מנת להגביל את האופטימיזציה הבאה לטווח הפרמטר שבו ההשפעות השליליות לא נצפו. עבור בדיקת היתכנות המעבדה קטנה או יחידת העליונה יחידות מומלץ להגביל את ההוצאות עבור ציוד ודגימות בניסויים כאלה. בדרך כלל 100-1,000 יחידות וואט לשרת את מטרות המחקר היתכנות טוב מאוד. (השווה Hielscher 2005)

אופטימיזציה

התוצאות שהושגו במהלך בדיקות ההיתכנות עשויות להציג צריכת אנרגיה גבוהה למדי לגבי הנפח הקטן מטופל. אבל המטרה של בדיקת ההיתכנות היא בעיקר כדי להראות את ההשפעות של אולטרסאונד לחומר. אם ב היתכנות לבדיקת השפעות חיוביות שחלה, מאמצים נוספים חייבים להיעשות כדי לייעל את יחס אנרגיה / נפח. משמעות הדבר היא לחקור את התצורה האידיאלית של פרמטרים אולטרסאונד כדי להשיג את התשואה הגבוהה ביותר באמצעות פחות אנרגיה אפשר להפוך את התהליך מבחינה כלכלית הכי סבירה ויעילה. כדי למצוא את תצורת הפרמטר האופטימלית – קבלת היתרונות המיועדים להזנת אנרגיה מינימלית – הקורלציה בין הפרמטרים החשובים ביותר משרעת, לחץ, טמפרטורה ו נוזל הרכב צריך להיחקר. בשלב שני השינוי מן sonication יצווה כדי התקנת sonication רציפה עם כור תא זרימה מומלץ כפרמטר החשוב של לחץ לא יכול להיות מושפע עבור sonication תצווה. במהלך sonication יצווה, הלחץ מוגבל ללחץ הסביבה. אם תהליך sonication עובר בתא תא זרימת pressurizable, הלחץ יכול להיות מורם (או מופחת) אשר בכלל משפיע על הקולים cavitation באופן דרסטי. באמצעות תא זרימה, הקורלציה בין לחץ ויעילות תהליך ניתן לקבוע. מעבדים Ultrasonic בין 500 וואט ו 2000 וואט הכוחות הם המתאימים ביותר כדי לייעל תהליך.

Scale-Up לייצור מסחרי

אם התצורה האופטימלית כבר נמצא, סולם-אפ נוספת היא פשוטה כמו תהליכי קולי הם לשחזור מלא בסולם ליניארי. פירוש הדבר, כאשר אולטראסאונד מוחל על ניסוח נוזלי זהה תחת תצורת פרמטר עיבוד זהה, אנרגיה באותו נפח נדרש כדי להשיג תוצאה זהה עצמאית בקנה מידה של עיבוד. (Hielscher 2005). זה מאפשר ליישם את תצורת הפרמטר האופטימלי של אולטרסאונד לגודל הייצור בקנה מידה מלא. למעשה, נפח אשר ניתן לעבד ultrasonically הוא בלתי מוגבל. מערכות אולטרסוניות מסחריות עם עד 16,000 וואט ליחידה זמינה וניתן להתקין באשכולות. אשכולות כאלה של מעבדי קולי ניתן להתקין במקביל או בסדרה. על ידי התקנת האשכול-חכם של מעבדי קולי גבוה כוח, הכח הכולל הוא כמעט בלתי מוגבל, כך זרמי נפח גבוה יכולים להיות מעובד ללא בעיה. כמו כן אם לאימוצו של מערכת אולטראסאונד נדרש, למשל, כדי להתאים את פרמטרי ניסוח נוזלי שונה, זה יכול להיעשות בעיקר על ידי שינוי sonotrode, מאיץ או לזרום תא. מדרגיות לינארית, שחזור ואת ההסתגלות של אולטרסאונד להפוך טכנולוגיה חדשנית זו יעילה וחסכונית.

פרמטרים של עיבוד קולי

Ultrasonic עיבוד נוזלי מתואר על ידי מספר פרמטרים. החשוב ביותר הם משרעת, לחץ, טמפרטורה, צמיגות, וריכוז. התוצאה תהליך, כגון גודל החלקיקים, עבור תצורת פרמטר נתון הוא פונקציה של האנרגיה לכל נפח מעובד. הפונקציה משתנה עם שינויים בפרמטרים בודדים. יתר על כן, את הפלט בפועל כוח לכל שטח השטח של sonotrode של יחידת קולי תלוי בפרמטרים. פלט הכוח לכל שטח השטח של sonotrode היא עוצמת השטח (אני). עוצמת המשטח תלויה במשרעת (A), בלחץ (p), בנפח הכור (VR), בטמפרטורה (T), בצמיגות (η) ובמקרים אחרים.

ההשפעה של cavitation שנוצר תלויה בעוצמת השטח. באותו אופן, תוצאת התהליך וקושרת. תפוקת ההספק הכוללת של יחידת אולטרסאונד היא התוצר של עוצמת משטח (I) ושטח פנים (S):

P [W] אני [W / מ"מ²] * הים[מ"מ²]

אמפליטודה

המשרעת של התנודה מתאר את דרך שהיא (למשל 50 מיקרומטר) לפני השטח sonotrode נוסע בזמן נתון (לדוגמה 1 / 20,000s ב 20kHz). ככל שעולה משרעת, גבוה יותר הוא הקצב שבו מוריד את הלחץ ועלייה בכל שבץ. בנוסף לכך, עקירת הנפח של כל עליות שבץ וכתוצאה מכך נפח cavitation גדול (גודל בועה ו / או מספר). כאשר חלים תפוצות, אמפליטודות גבוהה להראות הרסנות גבוהה כדי חלקיקים מוצקים. טבלה 1 מציגה ערכים כלליים כמה תהליכים קולי.

לַחַץ

נקודת הרתיחה של נוזל תלויה בלחץ. ככל שהלחץ גבוה יותר הוא נקודת הרתיחה, וההיפוך. לחץ גבוה מאפשר חלל בטמפרטורות הקרובות לנקודת הרתיחה או מעליה. היא גם מגבירה את עוצמת הקריסה, הקשורה להפרש בין הלחץ הסטטי ללחץ האדים בתוך הבועה (ראה Vercet et al 1999). מאז עוצמת קול עוצמת משתנה במהירות עם שינויים בלחץ, משאבה בלחץ קבוע עדיף. בעת אספקת נוזלים לתא הזרימה, המשאבה צריכה להיות מסוגלת לטפל בזרימת הנוזל הספציפית בלחצים מתאימים. דיאפרגמה או משאבות ממברנה; צינורות גמישים, צינורות או משאבות לסחיטה; משאבות peristaltic; או בוכנה או משאבת הבוכנה תיצור תנודות לחץ לסירוגין. משאבות צנטריפוגליות, משאבות גלגלי שיניים, משאבות ספירליות ומשאבות חלל מתקדמות המספקות את הנוזל להיות מקולקלות בלחץ יציב. (Hielscher 2005)

טֶמפֶּרָטוּרָה

על ידי sonicating נוזל, הכוח מועבר לתוך המדיום. כפי שנוצר באולטרסאונד תנודה גורמת מערבולות וחיכוך, הנוזל sonicated - בהתאם לחוק של התרמודינמיקה – יתחמם. טמפרטורות גבוהות של מדיום המעובד יכולות להיות הרסניות לחומר ולהפחית את האפקטיביות של cavitation הקולי. תאי זרימה קוליים חדשניים מצוידים ז'קט קירור (ראה תמונה). לפי זה, המדויק שליטה על הטמפרטורה של החומר במהלך עיבוד קולי ניתנת. עבור sonication מבחנה של כמויות קטנות יותר באמבט קרח עבור פיזור חום מומלץ.

צמיגות וריכוז

קולי כִּרסוּם ו פיזור הם תהליכים נוזליים. החלקיקים צריכים להיות השעיה, למשל: במים, שמן, ממיסים או שרפים. על ידי השימוש במערכות זרימה דרך קוליות, ניתן יהיה sonicate צמיג מאוד, חומר משחתי.
ניתן להפעיל מעבד הספק גבוה קולי בריכוזים מוצקים גבוהים למדי. ריכוז גבוה מספק את היעילות של עיבוד קולי, כמו אפקט טחינה קולי נגרם על ידי התנגשות בין חלקיקים. החקירות הראו כי שיעור סיליקה השביר אינו תלוי עד הריכוז המוצק כדי 50% לפי משקל. העיבוד של קבוצות הורים עם היחס של החומר מרוכז מאוד הוא הליך ייצור משותף באמצעות ultrasonication.

כוח ועוצם לעומת אנרגיה

עוצמת Surface וכוח מוחלט רק לתאר את עוצמת העיבוד. היקף מדגם sonicated ואת הזמן של מחשיפה בעוצמת מסוימת צריכים להיחשב לתאר תהליך sonication כדי להפוך אותו מדרגים לשחזור. עבור תצורת פרמטר נתון תוצאת התהליך, למשל, גודל חלקיקים או המרה כימית, יהיה תלוי האנרגיה לכל נפח (E / V).

תוצאה = ו (E /V )

איפה האנרגיה (E) היא התוצר של תפוקת החשמל (P) ואת הזמן של החשיפה (t).

E[Ws] = P[W] *t[הים]

שינויים בתצורת הפרמטר ישנו את פונקצית התוצאה. זה בתורו ישתנה כמות האנרגיה (E) נדרשה עבור ערך נתון מדגם (V) על מנת להשיג ערך תוצאה ספציפי. מסיבה זו אין זה מספיק כדי לפרוס כוח מסוים של אולטרסאונד כדי תהליך כדי לקבל תוצאה. גישה מתוחכמת יותר נדרש לזהות את העוצמה הנדרשת ואת תצורת הפרמטר שבו הכוח צריך להכניס את החומר בתהליך. (Hielscher 2005)

אולטרסונית בסיוע הפקת ביו-

זה כבר יודע כי אולטרסאונד משפר את ייצור ביו-. זה recommendable לעבות את הנוזל עם ביומסה על תרחיף צמיג מאוד כי הוא עדיין pumpable. כורי Ultrasonic יכולים להתמודד ריכוזי מוצקים גבוהים למדי, כך תהליך sonication ניתן להפעיל יעיל ביותר. החומר יותר מוכל בתוך תרחיף, הנוזל המוביל פחות, אשר לא להרוויח את תהליך sonication, יטופל. כקלט של אנרגיה לתוך נוזל גורם לחימום של הנוזל על ידי החוק של תרמודינאמיקה, זה אומר שהאנרגיה הקולית מוחלת על חומר היעד, ככל האפשר. עד כה עיצוב תהליך יעיל, חימום בזבזן של הנוזל המוביל העודף הוא נמנע.
אולטראסאונד מסייעת הוֹצָאָה החומר התאי והופך אותו לזמין ובכך עבור התסיסה אנזימטי. טיפול אולטרסאונד קלים ניתן לשפר את הפעילות האנזימטית, אבל עבור החילוץ ביומסה אולטרסאונד אינטנסיבי יותר יידרש. לפיכך, האנזימים יש להוסיף את התרחיף ביומסה לאחר sonication כמו אולטרסאונד אינטנסיבי מנטרל אנזימים, שהנו אפקט רצוי לא.

תוצאות שוטפות שהשיגו מחקר מדעי:

המחקרים ואח Yoswathana. (2010) בנוגע עם ייצור ביו-מ קש אורז הראו כי שילוב של טיפול מקדים חומצה ואולטרא סאונד לפני עופרת טיפול אנזימטי כדי תשואה סוכר מוגברת של עד 44% (על בסיס אורז קש). זה מראה את היעילות של שילוב של טיפול מקדים פיסיקלי וכימי לפני הידרוליזה אנזימטית של חומר lignocelluloses לסוכר.

תרשים 2 ממחיש את ההשפעות החיוביות של קרינה אולטרא במהלך הייצור ביו-מ קש אורז גרפי. (פחם נעשה שימוש כדי לטהר דגימות pretreated מ המקדים חומצה / אנזים מקדים קולי.)

במחקר נוסף שנערך לאחרונה, את ההשפעה של ultrasonication על תאי ואת הרמות התאיות של אנזים β-galactosidase נבדקה. סולימן ואח '. (2011) יכול לשפר את הפרודוקטיביות של ייצור ביו-משמעותי, באמצעות אולטרסאונד בטמפרטורה מבוקרת מגרה את הצמיחה שמרים של marxianus Kluyveromyces (ATCC 46,537). המחברים של נייר קורות חיים כי sonication לסירוגין עם אולטרסאונד כוח (20 קילו-הרץ) בשעה מחזורים חובת ≤20% מגורה ייצור ביומסה, חילוף החומרים לקטוז וייצור אתנול ב ק marxianus בעצימות sonication גבוה יחסית של 11.8Wcm^-2. בתנאים הטובים ביותר, sonication משופרת ריכוז אתנול הסופי על ידי קרוב משפחה 3.5 כמעט פי לשליטה. זה תואם שיפור 3.5 פי בפריון אתנול, אך נדרש 952W של תשומות כוח נוספות למטר מעוקב של מרק דרך sonication. דרישה נוספת זו לאנרגיה הייתה בהחלט בתוך נורמות מבצעיות מקובלות למתקני גידול ו, עבור מוצרים בעלי ערך גבוה, יכול להיות מפוצה בקלות על ידי הפרודוקטיביות.

מסקנה: הטבות תסיסה בסיוע אולטרסונית

טיפול אולטרסאונד הוכח כמו טכניקה יעילה וחדשנית כדי לשפר את תשואת bioethanol. בעיקר, אולטרסאונד משמש כדי לחלץ חומר תאי מביומסה, כגון תירס, סויה, קש, חומר מתאי-ligno או חומרים ופסולת צמחיים.

• גידול בתשואה bioethanol
• Disinteration / Cell distruction ושחרור חומר תוך-תאי
• פירוק אנאירובי משופר
• הפעלת אנזימים על ידי sonication הקל
• שיפור יעילות התהליך על ידי והכלומניקים ריכוז גבוה

הבדיקות הפשוטות, למעלה מידה לשחזור והתקנה קלה (גם כבר זרמי ייצור קיימים) עושות אולטרסוניקה טכנולוגיה רווחית ויעילה. מעבדי קולי תעשייתיים אמינים לעיבוד מסחרי זמינים מאפשרים sonicate כמעט נפחי נוזלים בלתי מוגבלים.