बायोएथेनॉल उत्पादन के लिए अल्ट्रासोनिक सहायता से किण्वन

अल्ट्रासोनिक सहायता से किया गया किण्वन जटिल कार्बोहाइड्रेटों के सरल शर्कराओं में विघटन को बढ़ावा देकर बायोएथेनॉल उत्पादन बढ़ा सकता है, जिससे ये शर्कराएँ यीस्ट द्वारा एथेनॉल में परिवर्तित किए जाने के लिए अधिक आसानी से उपलब्ध हो जाती हैं। साथ ही, सोनिकेशन यीस्ट की कोशिका भित्ति की पारगम्यता की दक्षता भी सुधारता है, जिससे एथेनॉल अधिक तेज़ी से मुक्त होता है और कुल उत्पादन बढ़ता है। इस प्रकार, अल्ट्रासोनिक सहायता से बायोएथेनॉल के किण्वन से उच्चतर रूपांतरण दर और बढ़ी हुई उपज प्राप्त होती है।

किण्वन

किण्वन एक वायवीय (= ऑक्सीकारक किण्वन) या अवायवीय प्रक्रिया हो सकती है, जिसका उपयोग जैवप्रौद्योगिकीय अनुप्रयोगों में जीवाणुओं, कवकों या अन्य जैविक कोशिका संवर्धों अथवा एंज़ाइमों द्वारा कार्बनिक पदार्थ को परिवर्तित करने के लिए किया जाता है। किण्वन द्वारा कार्बनिक यौगिकों, जैसे कार्बोहाइड्रेटों, के ऑक्सीकरण से ऊर्जा प्राप्त की जाती है।
शर्करा किण्वन का सबसे सामान्य सब्सट्रेट है, जिसके किण्वन के बाद लैक्टिक अम्ल, लैक्टोज़, एथेनॉल और हाइड्रोजन जैसे उत्पाद बनते हैं। अल्कोहलीय किण्वन में एथेनॉल – विशेष रूप से ईंधन के रूप में उपयोग के लिए, लेकिन मादक पेयों के लिए भी – किण्वन द्वारा उत्पादित किया जाता है। जब यीस्ट के कुछ प्रभेद, जैसे Saccharomyces cerevisiae , शर्करा का चयापचय करते हैं, तो यीस्ट कोशिकाएँ प्रारंभिक पदार्थ को एथेनॉल और कार्बन डाइऑक्साइड में परिवर्तित कर देती हैं।

नीचे दिए गए रासायनिक समीकरण इस रूपांतरण का सार प्रस्तुत करते हैं:

यदि प्रारंभिक पदार्थ स्टार्च है, जैसे मक्के से प्राप्त स्टार्च, तो सबसे पहले स्टार्च को शर्करा में परिवर्तित करना आवश्यक है। ईंधन के रूप में उपयोग किए जाने वाले बायोएथेनॉल के लिए स्टार्च के रूपांतरण हेतु जल-अपघटन आवश्यक है। आम तौर पर, अम्लीय या एंज़ाइमी उपचार अथवा दोनों के संयोजन से जल-अपघटन तेज़ किया जाता है। सामान्यतः किण्वन लगभग 35–40 °C पर किया जाता है।
विभिन्न किण्वन प्रक्रियाओं का अवलोकन:

खाद्य पदार्थ :

• उत्पादन & परिरक्षण
• दुग्ध उत्पाद (लैक्टिक अम्ल किण्वन), जैसे दही, छाछ, केफ़िर
• लैक्टिक किण्वन से तैयार सब्ज़ियाँ, जैसे किमची, मिसो, नट्टो, त्सुकेमोनो, सॉरक्रॉट
• सुगंधित यौगिकों का विकास, जैसे सोया सॉस
• चर्मशोधन कारकों का अपघटन, जैसे चाय, कोको, कॉफ़ी, तंबाकू
• मादक पेय, जैसे बीयर, वाइन, व्हिस्की

औषधियाँ :

• औषधीय यौगिकों का उत्पादन, जैसे इंसुलिन, हायलूरोनिक अम्ल

बायोगैस/ एथेनॉल :

• बायोगैस/ बायोएथेनॉल उत्पादन में सुधार

विभिन्न शोधपत्रों और बेंच-टॉप तथा पायलट पैमाने पर किए गए परीक्षणों से पता चला है कि अल्ट्रासाउंड एंज़ाइमी किण्वन के लिए अधिक बायोमास उपलब्ध कराकर किण्वन प्रक्रिया में सुधार करता है। अगले खंड में द्रव में अल्ट्रासाउंड के प्रभावों का विस्तार से वर्णन किया जाएगा।

अल्ट्रासोनिक द्रव प्रसंस्करण के प्रभाव

उच्च शक्ति/ निम्न आवृत्ति वाले अल्ट्रासाउंड से उच्च आयाम उत्पन्न किए जा सकते हैं। इसलिए उच्च शक्ति/ निम्न आवृत्ति वाले अल्ट्रासाउंड का उपयोग द्रवों के प्रसंस्करण, जैसे मिश्रण, पायसीकरण, परिक्षेपण और कण समुच्चयों को अलग करने, अथवा पिसाई के लिए किया जा सकता है।
उच्च तीव्रता पर द्रवों का सोनिकेशन करते समय, द्रव माध्यम में प्रसारित होने वाली ध्वनि तरंगें बारी-बारी से उच्च दाब (संपीड़न) और निम्न दाब (विरलन) के चक्र उत्पन्न करती हैं, जिनकी दर आवृत्ति पर निर्भर करती है। निम्न दाब चक्र के दौरान, उच्च तीव्रता वाली अल्ट्रासोनिक तरंगें द्रव में छोटे निर्वात बुलबुले या रिक्तियाँ बनाती हैं। जब बुलबुले ऐसे आयतन तक पहुँच जाते हैं जहाँ वे और ऊर्जा अवशोषित नहीं कर सकते, तो वे उच्च दाब चक्र के दौरान प्रचंड रूप से ध्वस्त हो जाते हैं। इस परिघटना को कैविटेशन कहा जाता है। कैविटेशन, अर्थात “द्रव में बुलबुलों का बनना, बढ़ना और अंतःस्फोट के साथ ध्वस्त होना। कैविटेशन के दौरान बुलबुलों का ध्वस्त होना तीव्र स्थानीय तापन (~5000 K), उच्च दाब (~1000 atm), और अत्यधिक तापन तथा शीतलन दरें (>109 K/sec)” और द्रव की जेट धाराएँ (~400 km/h) उत्पन्न करता है”। (Suslick 1998)

कैविटेशन उत्पन्न करने के विभिन्न साधन हैं, जैसे उच्च-दाब नोज़ल, रोटर-स्टेटर मिक्सर या अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर। इन सभी प्रणालियों में दी गई ऊर्जा घर्षण, विक्षोभ, तरंगों और कैविटेशन में परिवर्तित होती है। दी गई ऊर्जा का कितना अंश कैविटेशन में परिवर्तित होता है, यह तरल में कैविटेशन उत्पन्न करने वाले उपकरण की गति का वर्णन करने वाले कई कारकों पर निर्भर करता है। त्वरण की तीव्रता, ऊर्जा के कैविटेशन में कुशल रूपांतरण को प्रभावित करने वाले सबसे महत्वपूर्ण कारकों में से एक है। अधिक त्वरण से दाब में अधिक अंतर उत्पन्न होते हैं। इससे तरल में संचरित होने वाली तरंगों के बनने के बजाय निर्वात बुलबुले बनने की संभावना बढ़ती है। इस प्रकार, त्वरण जितना अधिक होता है, कैविटेशन में परिवर्तित होने वाली ऊर्जा का अंश उतना ही अधिक होता है।
अल्ट्रासोनिक ट्रांसड्यूसर के मामले में, दोलन का आयाम त्वरण की तीव्रता का वर्णन करता है। अधिक आयामों से कैविटेशन अधिक प्रभावी ढंग से उत्पन्न होता है। तीव्रता के अलावा, तरल को इस प्रकार त्वरित किया जाना चाहिए कि विक्षोभ, घर्षण और तरंग उत्पत्ति के कारण होने वाली हानियाँ न्यूनतम हों। इसके लिए गति को एक ही दिशा में रखना सर्वोत्तम तरीका है। सोनिकेशन प्रक्रिया की तीव्रता और मापदंडों को बदलकर, अल्ट्रासाउंड का प्रभाव बहुत कठोर या बहुत मृदु बनाया जा सकता है। इससे अल्ट्रासाउंड विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए एक अत्यंत बहुउपयोगी साधन बन जाता है।

हल्की परिस्थितियों में हल्का सोनिकेशन करने वाले मृदु अनुप्रयोगों में गैस निष्कासन, पायसीकरण, और एंज़ाइम सक्रियण शामिल हैं। उच्च तीव्रता/उच्च शक्ति वाले अल्ट्रासाउंड के कठोर अनुप्रयोगों में (अधिकतर बढ़े हुए दाब पर) गीली पिसाई, कण समूहों का विघटन और कणों के आकार में कमी, तथा परिक्षेपण शामिल हैं। कई अनुप्रयोगों, जैसे निष्कर्षण, विघटन या सोनोकेमिस्ट्री, के लिए आवश्यक अल्ट्रासोनिक तीव्रता उस विशिष्ट सामग्री पर निर्भर करती है जिसका सोनिकेशन किया जाना है। प्रत्येक प्रक्रिया के अनुरूप समायोजित किए जा सकने वाले विविध मापदंडों के कारण, अल्ट्रासाउंड हर प्रक्रिया के लिए सबसे उपयुक्त परिचालन बिंदु खोजने की सुविधा देता है।
उत्कृष्ट शक्ति रूपांतरण के अलावा, अल्ट्रासोनिकेशन सबसे महत्वपूर्ण मापदंडों पर पूर्ण नियंत्रण का बड़ा लाभ प्रदान करता है: आयाम, दाब, तापमान, श्यानता और सांद्रता। इससे प्रत्येक विशिष्ट सामग्री के लिए आदर्श प्रसंस्करण मापदंड खोजने के उद्देश्य से इन सभी मापदंडों को समायोजित करना संभव होता है। इसके परिणामस्वरूप अधिक प्रभावशीलता के साथ-साथ अनुकूलित दक्षता भी प्राप्त होती है।

किण्वन प्रक्रियाओं में सुधार के लिए अल्ट्रासाउंड, बायोएथेनॉल उत्पादन के उदाहरण से समझाया गया

बायोएथेनॉल, अवायवीय या वायवीय जीवाणुओं द्वारा जैवभार या अपशिष्ट के जैवअपघटनीय पदार्थ के अपघटन से प्राप्त होने वाला उत्पाद है। उत्पादित एथेनॉल का उपयोग मुख्यतः जैवईंधन के रूप में किया जाता है। इससे बायोएथेनॉल, प्राकृतिक गैस जैसे जीवाश्म ईंधनों का एक नवीकरणीय और पर्यावरण के अनुकूल विकल्प बन जाता है।
जैवभार से एथेनॉल बनाने के लिए शर्करा, स्टार्च और लिग्नोसेल्यूलोसिक सामग्री का उपयोग कच्चे माल के रूप में किया जा सकता है। औद्योगिक स्तर के उत्पादन में वर्तमान में शर्करा और स्टार्च का उपयोग प्रमुखता से होता है, क्योंकि वे आर्थिक रूप से लाभप्रद हैं।
दी गई परिस्थितियों में विशिष्ट कच्चे माल का उपयोग करने वाली ग्राहक की विशिष्ट प्रक्रिया में अल्ट्रासाउंड किस प्रकार सुधार करता है, इसे व्यवहार्यता परीक्षणों द्वारा बहुत आसानी से परखा जा सकता है। पहले चरण में, कच्चे माल की स्लरी की थोड़ी मात्रा का सोनिकेशन एक अल्ट्रासोनिक प्रयोगशाला उपकरण से करने पर पता चलेगा कि अल्ट्रासाउंड का कच्चे माल पर कोई प्रभाव पड़ता है या नहीं।

व्यवहार्यता परीक्षण

परीक्षण के पहले चरण में, द्रव की कम मात्रा में अपेक्षाकृत अधिक अल्ट्रासोनिक ऊर्जा देना उपयुक्त है, क्योंकि इससे यह पता चलने की संभावना बढ़ती है कि कोई परिणाम प्राप्त हो सकते हैं या नहीं। नमूने का कम आयतन प्रयोगशाला उपकरण के उपयोग का समय भी घटाता है और शुरुआती परीक्षणों की लागत कम करता है।
अल्ट्रासोनिक तरंगें सोनोट्रोड की सतह से द्रव में संचारित होती हैं। सोनोट्रोड की सतह के ठीक नीचे अल्ट्रासाउंड की तीव्रता सबसे अधिक होती है। इसलिए, सोनोट्रोड और सोनिकेशन की जा रही सामग्री के बीच कम दूरी रखना बेहतर होता है। जब कम आयतन वाले द्रव का सोनिकेशन किया जाता है, तो सोनोट्रोड से दूरी कम रखी जा सकती है।
नीचे दी गई तालिका में अनुकूलन के बाद सोनिकेशन प्रक्रियाओं के लिए ऊर्जा/आयतन के सामान्य स्तर दिए गए हैं। चूँकि शुरुआती परीक्षण इष्टतम विन्यास पर नहीं किए जाएँगे, इसलिए सामान्य मान से 10 से 50 गुना सोनिकेशन तीव्रता और समय से यह पता चलेगा कि सोनिकेशन की जा रही सामग्री पर कोई प्रभाव पड़ता है या नहीं।

प्रक्रिया	ऊर्जा/ आयतन	नमूने का आयतन	शक्ति	समय
सरल	< 100Ws/mL	10mL	50W	< 20 sec
मध्यम	100Ws/mL से 500Ws/mL	10mL	50W	20 से 100 sec
कठिन	> 500Ws/mL	10mL	50W	>100 sec

तालिका 1 – प्रक्रिया के अनुकूलन के बाद सोनिकेशन के सामान्य मान

परीक्षणों में वास्तविक शक्ति इनपुट को एकीकृत डेटा रिकॉर्डिंग (UP200Ht और UP200St), PC-इंटरफ़ेस या पावर मीटर के माध्यम से दर्ज किया जा सकता है। आयाम की सेटिंग और तापमान के दर्ज किए गए डेटा के साथ मिलाकर, प्रत्येक परीक्षण के परिणामों का मूल्यांकन किया जा सकता है और ऊर्जा/आयतन के लिए एक आधारभूत मान निर्धारित किया जा सकता है।
यदि परीक्षणों के दौरान इष्टतम विन्यास चुना गया हो, तो अनुकूलन के चरण में इस विन्यास के प्रदर्शन को सत्यापित किया जा सकता है और अंततः इसे व्यावसायिक स्तर तक बढ़ाया जा सकता है। अनुकूलन को सुगम बनाने के लिए, विशिष्ट फॉर्मूलेशनों के लिए सोनिकेशन की सीमाओं, जैसे तापमान, आयाम या ऊर्जा/आयतन, की भी जाँच करने की पुरज़ोर अनुशंसा की जाती है। चूँकि अल्ट्रासाउंड कोशिकाओं, रसायनों या कणों पर नकारात्मक प्रभाव डाल सकता है, इसलिए प्रत्येक प्राचल के महत्वपूर्ण सीमा-स्तरों की जाँच करना आवश्यक है, ताकि आगे का अनुकूलन प्राचलों की उस सीमा तक सीमित रहे जहाँ नकारात्मक प्रभाव नहीं देखे जाते। व्यवहार्यता अध्ययन के लिए छोटी प्रयोगशाला या बेंच-टॉप इकाइयों की अनुशंसा की जाती है, ताकि ऐसे परीक्षणों में उपकरणों और नमूनों पर होने वाला खर्च सीमित रहे। सामान्यतः 100 से 1,000 वाट की इकाइयाँ व्यवहार्यता अध्ययन के उद्देश्यों को बहुत अच्छी तरह पूरा करती हैं। (तुलना करें: Hielscher 2005)

अनुकूलन

व्यवहार्यता अध्ययनों में प्राप्त परिणाम, उपचारित द्रव के कम आयतन के सापेक्ष, काफ़ी अधिक ऊर्जा खपत दिखा सकते हैं। लेकिन व्यवहार्यता परीक्षण का मुख्य उद्देश्य सामग्री पर अल्ट्रासाउंड के प्रभाव दिखाना है। यदि व्यवहार्यता परीक्षण में सकारात्मक प्रभाव मिले हों, तो ऊर्जा/आयतन अनुपात को अनुकूलित करने के लिए आगे प्रयास करना आवश्यक है। इसका अर्थ है अल्ट्रासाउंड प्राचलों का ऐसा आदर्श विन्यास खोजना, जिससे न्यूनतम संभव ऊर्जा का उपयोग करके उच्चतम उपज प्राप्त हो और प्रक्रिया आर्थिक रूप से सर्वाधिक उचित तथा कुशल बने। इष्टतम प्राचल विन्यास खोजने के लिए – अर्थात न्यूनतम ऊर्जा इनपुट से अपेक्षित लाभ प्राप्त करने के लिए – सबसे महत्वपूर्ण प्राचलों – आयाम, दाब, तापमान और द्रव की संरचना – के बीच सहसंबंध की जाँच करनी होगी। इस दूसरे चरण में बैच सोनिकेशन से प्रवाह सेल रिएक्टर वाली सतत सोनिकेशन व्यवस्था अपनाने की अनुशंसा की जाती है, क्योंकि बैच सोनिकेशन में दाब जैसे महत्वपूर्ण प्राचल को बदला नहीं जा सकता। बैच में सोनिकेशन के दौरान दाब परिवेशी दाब तक सीमित रहता है। यदि सोनिकेशन प्रक्रिया ऐसे प्रवाह सेल कक्ष में होती है जिसमें दाब लगाया जा सकता है, तो दाब बढ़ाया (या घटाया) जा सकता है, जिससे सामान्यतः अल्ट्रासोनिक कैविटेशन बहुत अधिक प्रभावित होता है। प्रवाह सेल का उपयोग करके दाब और प्रक्रिया दक्षता के बीच सहसंबंध निर्धारित किया जा सकता है। जिन अल्ट्रासोनिक प्रोसेसरों की शक्ति 500 वाट और 2000 वाट के बीच होती है, वे किसी प्रक्रिया को अनुकूलित करने के लिए सबसे उपयुक्त होते हैं।

व्यावसायिक उत्पादन तक पैमाना बढ़ाना

यदि इष्टतम विन्यास मिल गया हो, तो आगे पैमाना बढ़ाना सरल है, क्योंकि अल्ट्रासोनिक प्रक्रियाएँ रैखिक पैमाने पर पूरी तरह पुनरुत्पादित की जा सकती हैं. इसका अर्थ है कि जब समान प्रसंस्करण पैरामीटर विन्यास के अंतर्गत एक जैसे तरल मिश्रण पर अल्ट्रासाउंड लागू किया जाता है, तो प्रसंस्करण के पैमाने से स्वतंत्र रूप से एक जैसा परिणाम प्राप्त करने के लिए प्रति इकाई आयतन समान ऊर्जा की आवश्यकता होती है। (Hielscher 2005). इससे अल्ट्रासाउंड के इष्टतम पैरामीटर विन्यास को पूर्ण पैमाने के उत्पादन में लागू करना संभव होता है। व्यावहारिक रूप से, अल्ट्रासोनिक विधि से प्रसंस्कृत किए जा सकने वाले आयतन की कोई सीमा नहीं है। प्रति इकाई अधिकतम 16,000 वाट शक्ति वाले वाणिज्यिक अल्ट्रासोनिक सिस्टम उपलब्ध हैं और इन्हें क्लस्टरों में स्थापित किया जा सकता है। अल्ट्रासोनिक प्रोसेसरों के ऐसे क्लस्टर समानांतर या क्रमिक रूप से स्थापित किए जा सकते हैं। उच्च शक्ति वाले अल्ट्रासोनिक प्रोसेसरों को क्लस्टरों में स्थापित करने से कुल शक्ति लगभग असीमित हो जाती है, जिससे बड़े आयतन वाली प्रवाह धाराओं को बिना किसी समस्या के प्रसंस्कृत किया जा सकता है। यदि अल्ट्रासोनिक सिस्टम में अनुकूलन की आवश्यकता हो, उदाहरण के लिए संशोधित तरल मिश्रण के अनुसार पैरामीटर समायोजित करने के लिए, तो अधिकांश मामलों में सोनोट्रोड, बूस्टर या प्रवाह सेल बदलकर ऐसा किया जा सकता है। अल्ट्रासाउंड का पैमाना रैखिक रूप से बढ़ाने की क्षमता, इसकी पुनरुत्पादकता और अनुकूलनशीलता इस अभिनव प्रौद्योगिकी को कुशल और लागत प्रभावी बनाती हैं।

अल्ट्रासोनिक प्रसंस्करण के पैरामीटर

अल्ट्रासोनिक तरल प्रसंस्करण का वर्णन कई पैरामीटरों द्वारा किया जाता है। इनमें सबसे महत्वपूर्ण हैं आयाम, दाब, तापमान, श्यानता और सांद्रता। किसी दिए गए पैरामीटर विन्यास के लिए प्रक्रिया का परिणाम, जैसे कण आकार, प्रति इकाई प्रसंस्कृत आयतन की ऊर्जा का फलन होता है। अलग-अलग पैरामीटरों में बदलाव के साथ यह फलन बदलता है। इसके अतिरिक्त, किसी अल्ट्रासोनिक इकाई के सोनोट्रोड के प्रति इकाई सतह क्षेत्रफल पर वास्तविक शक्ति निर्गम पैरामीटरों पर निर्भर करता है। सोनोट्रोड के प्रति इकाई सतह क्षेत्रफल पर शक्ति निर्गम को सतही तीव्रता (I) कहते हैं। सतही तीव्रता आयाम (A), दाब (p), रिएक्टर के आयतन (VR), तापमान (T), श्यानता (η) और अन्य पैरामीटरों पर निर्भर करती है।

उत्पन्न कैविटेशन का प्रभाव सतही तीव्रता पर निर्भर करता है। इसी प्रकार, प्रक्रिया का परिणाम भी इससे सहसंबद्ध होता है। किसी अल्ट्रासोनिक इकाई का कुल शक्ति निर्गम सतही तीव्रता (I) और सतह क्षेत्रफल (S) का गुणनफल होता है:

P [W] I [W / mm²]* S[mm²]

आयाम

दोलन का आयाम उस दूरी (उदाहरण के लिए 50 µm) को दर्शाता है, जिसे सोनोट्रोड की सतह एक निश्चित समय (उदाहरण के लिए 20kHz पर 1/20,000s) में तय करती है। आयाम जितना अधिक होता है, प्रत्येक स्ट्रोक में दाब के घटने और बढ़ने की दर उतनी ही अधिक होती है। इसके अतिरिक्त, प्रत्येक स्ट्रोक में आयतन विस्थापन बढ़ता है, जिससे कैविटेशन का आयतन अधिक होता है (बुलबुलों का आकार और/या संख्या)। परिक्षेपणों पर लागू किए जाने पर, अधिक आयाम ठोस कणों को अधिक तीव्रता से तोड़ते हैं। तालिका 1 कुछ अल्ट्रासोनिक प्रक्रियाओं के सामान्य मान दर्शाती है।

दाब

किसी तरल का क्वथनांक दाब पर निर्भर करता है। दाब जितना अधिक होगा, क्वथनांक उतना ही अधिक होगा और इसके विपरीत भी यही संबंध लागू होता है। बढ़ा हुआ दाब क्वथनांक के निकट या उससे अधिक तापमान पर कैविटेशन संभव बनाता है। यह अंतःस्फोट की तीव्रता भी बढ़ाता है, जो स्थैतिक दाब और बुलबुले के भीतर के वाष्प दाब के बीच के अंतर से संबंधित है (देखें Vercet et al. 1999)। चूँकि दाब में परिवर्तन के साथ अल्ट्रासोनिक शक्ति और तीव्रता तेजी से बदलती हैं, इसलिए स्थिर दाब वाला पंप बेहतर होता है। प्रवाह सेल में तरल की आपूर्ति करते समय पंप उपयुक्त दाबों पर उस विशिष्ट तरल प्रवाह को संभालने में सक्षम होना चाहिए। डायफ्राम या मेम्ब्रेन पंप; लचीली नली, होज़ या स्क्वीज़ पंप; पेरिस्टाल्टिक पंप; अथवा पिस्टन या प्लंजर पंप बारी-बारी से दाब में उतार-चढ़ाव उत्पन्न करेंगे। अपकेंद्री पंप, गियर पंप, स्पाइरल पंप और प्रोग्रेसिव कैविटी पंप बेहतर माने जाते हैं, जो सोनिकेशन किए जाने वाले तरल की आपूर्ति निरंतर स्थिर दाब पर करते हैं। (Hielscher 2005)

तापमान

किसी तरल का सोनिकेशन करने से माध्यम में शक्ति संचारित होती है। चूँकि अल्ट्रासोनिक रूप से उत्पन्न दोलन अशांति और घर्षण पैदा करते हैं, इसलिए सोनिकेशन किया जा रहा तरल – ऊष्मागतिकी के नियम के अनुसार – गर्म होगा। संसाधित माध्यम का बढ़ा हुआ तापमान सामग्री के लिए विनाशकारी हो सकता है और अल्ट्रासोनिक कैविटेशन की प्रभावशीलता को कम कर सकता है। अभिनव अल्ट्रासोनिक प्रवाह सेल शीतलन जैकेट से सुसज्जित होते हैं (चित्र देखें)। इससे अल्ट्रासोनिक प्रसंस्करण के दौरान सामग्री के तापमान पर सटीक नियंत्रण मिलता है। कम आयतन वाले तरल के बीकर में सोनिकेशन के लिए ऊष्मा के निष्कासन हेतु बर्फ के स्नान की अनुशंसा की जाती है।

श्यानता और सांद्रता

अल्ट्रासोनिक पिसाई और परिक्षेपण तरल माध्यम में होने वाली प्रक्रियाएँ हैं। कणों का निलंबन में होना आवश्यक है, जैसे पानी, तेल, विलायकों या रेज़िन में। अल्ट्रासोनिक प्रवाह प्रणालियों के उपयोग से अत्यधिक श्यान, पेस्ट जैसी सामग्री का सोनिकेशन संभव हो जाता है।
उच्च शक्ति वाले अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर को ठोस पदार्थों की काफी अधिक सांद्रता पर चलाया जा सकता है। उच्च सांद्रता अल्ट्रासोनिक प्रसंस्करण को प्रभावी बनाती है, क्योंकि अल्ट्रासोनिक पिसाई का प्रभाव कणों के आपसी टकराव से उत्पन्न होता है। अध्ययनों से पता चला है कि भार के आधार पर 50% तक ठोस सांद्रता होने पर सिलिका के टूटने की दर ठोस सांद्रता से स्वतंत्र होती है। अत्यधिक सांद्रित सामग्री के अनुपात वाले मास्टर बैचों का प्रसंस्करण अल्ट्रासोनिकेशन का उपयोग करने वाली एक सामान्य उत्पादन प्रक्रिया है।

शक्ति और तीव्रता बनाम ऊर्जा

सतही तीव्रता और कुल शक्ति केवल प्रसंस्करण की तीव्रता का वर्णन करती हैं। सोनिकेशन प्रक्रिया का वर्णन करने और उसे पैमाना बढ़ाने योग्य तथा पुनरुत्पादनीय बनाने के लिए सोनिकेशन किए गए नमूने के आयतन और किसी निश्चित तीव्रता पर उसके उद्भासन की अवधि पर विचार करना आवश्यक है। किसी दिए गए पैरामीटर विन्यास के लिए प्रक्रिया का परिणाम, जैसे कण आकार या रासायनिक रूपांतरण, प्रति इकाई आयतन ऊर्जा (E/V) पर निर्भर करेगा।

परिणाम = f (E /V )

जहाँ ऊर्जा (E), निर्गत शक्ति (P) और उद्भासन की अवधि (t) का गुणनफल है।

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

पैरामीटर विन्यास में परिवर्तन से परिणाम फलन बदल जाएगा। इसके फलस्वरूप, नमूने के किसी दिए गए मान (V) के लिए एक विशिष्ट परिणाम मान प्राप्त करने हेतु आवश्यक ऊर्जा (E) की मात्रा बदल जाएगी। इस कारण, परिणाम प्राप्त करने के लिए किसी प्रक्रिया में अल्ट्रासाउंड की एक निश्चित शक्ति का उपयोग करना पर्याप्त नहीं है। आवश्यक शक्ति और उस पैरामीटर विन्यास की पहचान करने के लिए अधिक परिष्कृत दृष्टिकोण आवश्यक है, जिस पर शक्ति को प्रक्रिया की सामग्री में संचारित किया जाना चाहिए। (Hielscher 2005)

अल्ट्रासोनिक सहायता से बायोएथेनॉल का उत्पादन

यह पहले से ज्ञात है कि अल्ट्रासाउंड बायोएथेनॉल उत्पादन में सुधार करता है। तरल में बायोमास मिलाकर उसे अत्यधिक श्यान घोल में गाढ़ा करने की सलाह दी जाती है, जिसे फिर भी पंप किया जा सके। अल्ट्रासोनिक रिएक्टर ठोस पदार्थों की काफी उच्च सांद्रताओं को संभाल सकते हैं, ताकि सोनिकेशन प्रक्रिया को सर्वाधिक दक्षता से चलाया जा सके। घोल में जितनी अधिक सामग्री होगी, उतने ही कम वाहक तरल का उपचार करना पड़ेगा, जिसे सोनिकेशन प्रक्रिया से लाभ नहीं मिलता। चूँकि ऊष्मागतिकी के नियम के अनुसार तरल में ऊर्जा डालने से वह गर्म होता है, इसका अर्थ है कि अल्ट्रासोनिक ऊर्जा यथासंभव लक्षित सामग्री पर लगाई जाती है। प्रक्रिया की ऐसी दक्ष रूपरेखा से अतिरिक्त वाहक तरल को अनावश्यक रूप से गर्म करने से बचा जाता है।
अल्ट्रासाउंड अंतःकोशिकीय पदार्थ के निष्कर्षण में सहायता करता है और इस प्रकार उसे एंज़ाइमी किण्वन के लिए उपलब्ध कराता है। हल्का अल्ट्रासाउंड उपचार एंज़ाइमी सक्रियता बढ़ा सकता है, लेकिन बायोमास के निष्कर्षण के लिए अधिक तीव्र अल्ट्रासाउंड की आवश्यकता होगी। इसलिए एंज़ाइमों को सोनिकेशन के बाद बायोमास के घोल में मिलाना चाहिए, क्योंकि तीव्र अल्ट्रासाउंड एंज़ाइमों को निष्क्रिय कर देता है, जो एक अवांछित प्रभाव है।

वैज्ञानिक अनुसंधान से प्राप्त वर्तमान परिणाम:

धान के पुआल से बायोएथेनॉल उत्पादन से संबंधित Yoswathana et al. (2010) के अध्ययनों से पता चला है कि एंज़ाइमी उपचार से पहले अम्लीय पूर्वोपचार और अल्ट्रासाउंड के संयोजन से शर्करा की उपज बढ़कर 44% तक हुई (धान के पुआल के आधार पर)। यह लिग्नोसेल्यूलोसिक सामग्री को शर्करा में बदलने के लिए एंज़ाइमी जल-अपघटन से पहले भौतिक और रासायनिक पूर्वोपचार के संयोजन की प्रभावशीलता दर्शाता है। 

चार्ट 2 धान के पुआल से बायोएथेनॉल उत्पादन के दौरान अल्ट्रासोनिक विकिरण के सकारात्मक प्रभावों को आलेख के रूप में दर्शाता है। (अम्लीय/एंज़ाइमी पूर्वोपचार और अल्ट्रासोनिक पूर्वोपचार से प्राप्त नमूनों को विषमुक्त करने के लिए चारकोल का उपयोग किया गया है।)

एक अन्य हालिया अध्ययन में β-galactosidase एंज़ाइम के बाह्यकोशिकीय और अंतःकोशिकीय स्तरों पर अल्ट्रासोनिकेशन के प्रभाव की जाँच की गई है। Sulaiman et al. (2011) नियंत्रित तापमान पर अल्ट्रासाउंड का उपयोग करके Kluyveromyces marxianus (ATCC 46537) यीस्ट की वृद्धि को उत्तेजित करते हुए बायोएथेनॉल उत्पादन की उत्पादकता में पर्याप्त सुधार कर सके। शोधपत्र के लेखकों का निष्कर्ष है कि उच्च-शक्ति अल्ट्रासाउंड (20 kHz) का उपयोग करते हुए ≤20% के ड्यूटी चक्रों पर और 11.8Wcm² की अपेक्षाकृत उच्च सोनिकेशन तीव्रता पर किए गए आंतरायिक सोनिकेशन ने K. marxianus में बायोमास उत्पादन, लैक्टोज़ चयापचय और एथेनॉल उत्पादन को उत्तेजित किया। सर्वोत्तम परिस्थितियों में, सोनिकेशन ने नियंत्रण की तुलना में अंतिम एथेनॉल सांद्रता को लगभग 3.5 गुना बढ़ाया। यह एथेनॉल उत्पादकता में 3.5 गुना वृद्धि के अनुरूप था, लेकिन इसके लिए सोनिकेशन के माध्यम से प्रति घन मीटर संवर्धन द्रव में 952W अतिरिक्त शक्ति निवेश की आवश्यकता हुई। ऊर्जा की यह अतिरिक्त आवश्यकता निश्चित रूप से बायोरिएक्टरों के स्वीकार्य परिचालन मानकों के भीतर थी और उच्च मूल्य वाले उत्पादों के लिए बढ़ी हुई उत्पादकता से इसकी आसानी से भरपाई की जा सकती थी।

निष्कर्ष: अल्ट्रासाउंड-सहायित किण्वन के लाभ

अल्ट्रासोनिक उपचार को बायोएथेनॉल की उपज बढ़ाने की एक दक्ष और अभिनव तकनीक के रूप में प्रदर्शित किया गया है। मुख्य रूप से, अल्ट्रासाउंड का उपयोग मक्का, सोयाबीन, पुआल, लिग्नोसेल्यूलोसिक सामग्री या वनस्पति अपशिष्ट जैसे बायोमास से अंतःकोशिकीय पदार्थ निकालने के लिए किया जाता है।

• बायोएथेनॉल की उपज में वृद्धि
• विघटन/कोशिका विनाश और अंतःकोशिकीय पदार्थ का मुक्त होना
• बेहतर अवायवीय अपघटन
• हल्के सोनिकेशन द्वारा एंज़ाइमों का सक्रियण
• उच्च सांद्रता वाले घोलों द्वारा प्रक्रिया की दक्षता में सुधार

सरल परीक्षण, पुनरुत्पादनीय पैमाना विस्तार और आसान स्थापना (पहले से मौजूद उत्पादन धाराओं में भी) अल्ट्रासोनिक्स को एक लाभदायक और दक्ष तकनीक बनाते हैं। व्यावसायिक प्रसंस्करण के लिए विश्वसनीय औद्योगिक अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर उपलब्ध हैं, जो वस्तुतः असीमित तरल आयतन का सोनिकेशन संभव बनाते हैं।