Bioethanol उत्पादन के लिए अल्ट्रासोनिक रूप से सहायता प्राप्त किण्वन

अल्ट्रासोनिक रूप से सहायता प्राप्त किण्वन जटिल कार्बोहाइड्रेट के टूटने को सरल शर्करा में बढ़ावा देकर बायोएथेनॉल उत्पादन को बढ़ा सकता है, जिससे उन्हें इथेनॉल में परिवर्तित करने के लिए खमीर के लिए अधिक आसानी से उपलब्ध कराया जा सकता है। इसके साथ ही, सोनिकेशन खमीर सेल दीवार पारगम्यता की दक्षता में भी सुधार करता है, जिससे तेजी से इथेनॉल रिलीज और समग्र उत्पादन में वृद्धि होती है। इस प्रकार, अल्ट्रासोनिक रूप से सहायता प्राप्त बायोएथेनॉल किण्वन के परिणामस्वरूप उच्च रूपांतरण दर और बढ़ी हुई पैदावार होती है।

किण्वन

किण्वन एक एरोबिक (= ऑक्सीडेटिव किण्वन) या एनारोबिक प्रक्रिया हो सकती है, जिसका उपयोग जैव प्रौद्योगिकी अनुप्रयोगों के लिए बैक्टीरिया, फंगल या अन्य जैविक कोशिका संस्कृतियों या एंजाइमों द्वारा कार्बनिक पदार्थों को परिवर्तित करने के लिए किया जाता है। किण्वन द्वारा, कार्बनिक यौगिकों के ऑक्सीकरण से ऊर्जा निकाली जाती है, जैसे कार्बोहाइड्रेट।
चीनी किण्वन का सबसे आम सब्सट्रेट है, जिसके परिणामस्वरूप लैक्टिक एसिड, लैक्टोज, इथेनॉल और हाइड्रोजन जैसे उत्पादों में किण्वन होता है। मादक किण्वन के लिए, इथेनॉल - विशेष रूप से ईंधन के रूप में उपयोग के लिए, लेकिन मादक पेय पदार्थों के लिए भी – किण्वन द्वारा उत्पादित किया जाता है। जब कुछ खमीर उपभेदों, जैसे सैक्रोमाइसेस सेरेविसिया चीनी को चयापचय करें, खमीर कोशिकाएं प्रारंभिक सामग्री को इथेनॉल और कार्बन डाइऑक्साइड में परिवर्तित करती हैं।

नीचे दिए गए रासायनिक समीकरण रूपांतरण को सारांशित करते हैं:

यदि प्रारंभिक सामग्री स्टार्च है, उदाहरण के लिए मकई से, तो सबसे पहले स्टार्च को चीनी में परिवर्तित किया जाना चाहिए। ईंधन के रूप में उपयोग किए जाने वाले बायोएथेनॉल के लिए, स्टार्च रूपांतरण के लिए हाइड्रोलिसिस की आवश्यकता होती है। आमतौर पर, हाइड्रोलिसिस को अम्लीय या एंजाइमी उपचार या दोनों के संयोजन से तेज किया जाता है। आम तौर पर, किण्वन लगभग 35-40 डिग्री सेल्सियस पर किया जाता है।
विभिन्न किण्वन प्रक्रियाओं पर अवलोकन:

खाद्य पदार्थ:

• उत्पादन & संरक्षण
• डेयरी (लैक्टिक एसिड किण्वन), जैसे दही, छाछ, केफिर
• लैक्टिक किण्वित सब्जियां, जैसे किमची, मिसो, नाटो, त्सुकेमोनो, सौकरकूट
• एरोमेटिक्स का विकास, जैसे सोया सॉस
• टैनिंग एजेंटों का अपघटन, जैसे चाय, कोको, कॉफी, तंबाकू
• मादक पेय, जैसे बीयर, वाइन, व्हिस्की

दवाओं:

• चिकित्सा यौगिकों का उत्पादन, जैसे इंसुलिन, हयालूरोनिक एसिड

बायोगैस/इथेनॉल :

• बायोगैस/बायोएथेनॉल उत्पादन में सुधार

बेंच-टॉप और पायलट आकार में विभिन्न शोध पत्रों और परीक्षणों से पता चला है कि अल्ट्रासाउंड एंजाइमी किण्वन के लिए अधिक बायोमास उपलब्ध कराकर किण्वन प्रक्रिया में सुधार करता है। निम्नलिखित अनुभाग में, एक तरल में अल्ट्रासाउंड के प्रभावों को विस्तृत किया जाएगा।

अल्ट्रासोनिक तरल प्रसंस्करण के प्रभाव

उच्च-शक्ति/निम्न-आवृत्ति अल्ट्रासाउंड द्वारा उच्च आयाम उत्पन्न किए जा सकते हैं। इस प्रकार, उच्च-शक्ति/निम्न-आवृत्ति अल्ट्रासाउंड का उपयोग तरल पदार्थों के प्रसंस्करण जैसे मिश्रण, पायसीकारी, फैलाव और deagglomeration, या मिलिंग के लिए किया जा सकता है।
उच्च तीव्रता पर तरल पदार्थ को सोनिकेट करते समय, ध्वनि तरंगें जो तरल मीडिया में फैलती हैं, आवृत्ति के आधार पर दरों के साथ उच्च दबाव (संपीड़न) और कम दबाव (दुर्लभ) चक्रों को बारी-बारी से करती हैं। कम दबाव चक्र के दौरान, उच्च तीव्रता वाली अल्ट्रासोनिक तरंगें तरल में छोटे वैक्यूम बुलबुले या voids बनाती हैं। जब बुलबुले एक मात्रा प्राप्त करते हैं जिस पर वे अब ऊर्जा को अवशोषित नहीं कर सकते हैं, तो वे उच्च दबाव चक्र के दौरान हिंसक रूप से ढह जाते हैं। इस घटना को गुहिकायन कहा जाता है। गुहिकायनयह है “एक तरल में बुलबुले का गठन, विकास और निहित पतन। कैविटेशनल पतन तीव्र स्थानीय हीटिंग (~ 5000 के), उच्च दबाव (~ 1000 एटीएम), और भारी हीटिंग और शीतलन दर (>109 हज़ार प्रति सेकंड)” और तरल जेट धाराएं (~ 400 किमी / (सुस्लिक 1998)

कैविटेशन बनाने के लिए अलग-अलग साधन हैं, जैसे उच्च दबाव नलिका, रोटर-स्टेटर मिक्सर, या अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर द्वारा। उन सभी प्रणालियों में इनपुट ऊर्जा घर्षण, विक्षोभ, तरंगों और गुहिकायन में बदल जाती है। इनपुट ऊर्जा का अंश जो गुहिकायन में बदल जाता है, तरल में गुहिकायन पैदा करने वाले उपकरणों की गति का वर्णन करने वाले कई कारकों पर निर्भर करता है। त्वरण की तीव्रता गुहिकायन में ऊर्जा के कुशल परिवर्तन को प्रभावित करने वाले सबसे महत्वपूर्ण कारकों में से एक है। उच्च त्वरण उच्च दबाव अंतर पैदा करता है। यह बदले में तरल के माध्यम से फैलने वाली तरंगों के निर्माण के बजाय वैक्यूम बुलबुले के निर्माण की संभावना को बढ़ाता है। इस प्रकार, त्वरण जितना अधिक होता है, ऊर्जा का अंश उतना ही अधिक होता है जो गुहिकायन में बदल जाता है।
अल्ट्रासोनिक ट्रांसड्यूसर के मामले में, दोलन का आयाम त्वरण की तीव्रता का वर्णन करता है। उच्च आयामों के परिणामस्वरूप गुहिकायन का अधिक प्रभावी निर्माण होता है। तीव्रता के अलावा, तरल को अशांति, घर्षण और लहर उत्पादन के मामले में न्यूनतम नुकसान पैदा करने के लिए एक तरह से त्वरित किया जाना चाहिए। इसके लिए, इष्टतम तरीका आंदोलन की एकतरफा दिशा है। सोनीशन प्रक्रिया की तीव्रता और मापदंडों को बदलना, अल्ट्रासाउंड बहुत कठिन या बहुत नरम हो सकता है। यह अल्ट्रासाउंड को विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए एक बहुत ही बहुमुखी उपकरण बनाता है।

नरम अनुप्रयोगों, हल्के परिस्थितियों में हल्के sonication लागू करने, शामिल हैं डीगैसिंग, पायसीकारी, और एंजाइम सक्रियण। उच्च तीव्रता/उच्च शक्ति अल्ट्रासाउंड (ज्यादातर ऊंचे दबाव में) के साथ कठोर अनुप्रयोग हैं गीला-मिलिंग, डीएग्लोमरेशन & कण आकार में कमी, और फैलाना. कई अनुप्रयोगों के लिए जैसे कि कुल, विघटन या सोनोकेमिस्ट्री, अनुरोध की गई अल्ट्रासोनिक तीव्रता सोनिकेटेड होने वाली विशिष्ट सामग्री पर निर्भर करती है। मापदंडों की विविधता से, जिसे व्यक्तिगत प्रक्रिया के लिए अनुकूलित किया जा सकता है, अल्ट्रासाउंड प्रत्येक व्यक्तिगत प्रक्रिया के लिए मीठा स्थान खोजने की अनुमति देता है।
एक उत्कृष्ट बिजली रूपांतरण के अलावा, अल्ट्रासोनिकेशन सबसे महत्वपूर्ण मापदंडों पर पूर्ण नियंत्रण का महान लाभ प्रदान करता है: आयाम, दबाव, तापमान, चिपचिपाहट और एकाग्रता। यह प्रत्येक विशिष्ट सामग्री के लिए आदर्श प्रसंस्करण मापदंडों को खोजने के उद्देश्य से इन सभी मापदंडों को समायोजित करने की संभावना प्रदान करता है। इसके परिणामस्वरूप उच्च प्रभावशीलता के साथ-साथ अनुकूलित दक्षता भी होती है।

किण्वन प्रक्रियाओं में सुधार करने के लिए अल्ट्रासाउंड, बायोएथेनॉल उत्पादन के साथ अनुकरणीय रूप से समझाया गया

बायोएथेनॉल एनारोबिक या एरोबिक बैक्टीरिया द्वारा बायोमास या कचरे के बायोडिग्रेडेबल पदार्थ के अपघटन का एक उत्पाद है। उत्पादित इथेनॉल मुख्य रूप से जैव ईंधन के रूप में उपयोग किया जाता है। यह बायोएथेनॉल को प्राकृतिक गैस जैसे जीवाश्म ईंधन के लिए एक नवीकरणीय और पर्यावरण के अनुकूल विकल्प बनाता है।
बायोमास से इथेनॉल का उत्पादन करने के लिए, चीनी, स्टार्च और लिग्नोसेल्यूलोसिक सामग्री का उपयोग फीडस्टॉक के रूप में किया जा सकता है। औद्योगिक उत्पादन आकार के लिए, चीनी और स्टार्च वर्तमान में प्रमुख हैं क्योंकि वे आर्थिक रूप से अनुकूल हैं।
अल्ट्रासाउंड दी गई शर्तों के तहत विशिष्ट फीडस्टॉक के साथ ग्राहक-व्यक्तिगत प्रक्रिया को कैसे बेहतर बनाता है, व्यवहार्यता परीक्षणों द्वारा बहुत सरल कोशिश की जा सकती है। पहले चरण में, एक अल्ट्रासोनिक के साथ कच्चे माल के घोल की एक छोटी मात्रा का सोनिकेशन प्रयोगशाला उपकरण दिखाएगा, अल्ट्रासाउंड फीडस्टॉक को प्रभावित करता है, तो.

व्यवहार्यता परीक्षण

पहले परीक्षण चरण में, तरल की एक छोटी मात्रा में अल्ट्रासोनिक ऊर्जा की अपेक्षाकृत उच्च मात्रा को पेश करना उपयुक्त है क्योंकि जिससे यह देखने का मौका बढ़ जाता है कि क्या कोई परिणाम प्राप्त किया जा सकता है। एक छोटी सी नमूना मात्रा भी एक प्रयोगशाला उपकरण का उपयोग करके समय को कम करती है और पहले परीक्षणों के लिए लागत में कटौती करती है।
अल्ट्रासाउंड तरंगों को सोनोट्रोड की सतह द्वारा तरल में प्रेषित किया जाता है। सोनोट्रोड सतह के बेनेथ, अल्ट्रासाउंड की तीव्रता सबसे तीव्र है। इस प्रकार, सोनोट्रोड और सोनिकेटेड सामग्री के बीच कम दूरी को प्राथमिकता दी जाती है। जब एक छोटी तरल मात्रा उजागर होती है, तो सोनोट्रोड से दूरी कम रखी जा सकती है।
नीचे दी गई तालिका अनुकूलन के बाद सोनीशन प्रक्रियाओं के लिए विशिष्ट ऊर्जा / चूंकि पहले परीक्षणों को इष्टतम कॉन्फ़िगरेशन पर नहीं चलाया जाएगा, सोनीशन तीव्रता और समय विशिष्ट मूल्य के 10 से 50 गुना तक दिखाएगा कि सोनिकेटेड सामग्री पर कोई प्रभाव है या नहीं।

प्रक्रिया	शक्ति/ आयतन	नमूना मात्रा	शक्ति	समय
सरल	< 100Ws/एमएल	10 एमएल	50 डब्ल्यू	< 20 सेकंड
मध्यम	100Ws/mL से 500Ws/mL	10 एमएल	50 डब्ल्यू	20 ते 100 सेकंद
कठिन	> 500Ws/एमएल	10 एमएल	50 डब्ल्यू	>100 सेकंड

तालिका 1 – प्रक्रिया अनुकूलन के बाद विशिष्ट सोनीशन मान

परीक्षण रन के वास्तविक पावर इनपुट को एकीकृत डेटा रिकॉर्डिंग (यूपी200एचटी और UP200St), पीसी-इंटरफ़ेस या पावरमीटर द्वारा। आयाम सेटिंग और तापमान के रिकॉर्ड किए गए डेटा के संयोजन में, प्रत्येक परीक्षण के परिणामों का मूल्यांकन किया जा सकता है और ऊर्जा/मात्रा के लिए एक नीचे की रेखा स्थापित की जा सकती है।
यदि परीक्षणों के दौरान एक इष्टतम कॉन्फ़िगरेशन चुना गया है, तो इस कॉन्फ़िगरेशन प्रदर्शन को एक अनुकूलन चरण के दौरान सत्यापित किया जा सकता है और अंततः वाणिज्यिक स्तर तक बढ़ाया जा सकता है। अनुकूलन की सुविधा के लिए, विशिष्ट योगों के लिए सोनिकेशन की सीमाओं, जैसे तापमान, आयाम या ऊर्जा / मात्रा की जांच करने की अत्यधिक अनुशंसा की जाती है। चूंकि अल्ट्रासाउंड कोशिकाओं, रसायनों या कणों पर नकारात्मक प्रभाव उत्पन्न कर सकता है, इसलिए प्रत्येक पैरामीटर के लिए महत्वपूर्ण स्तरों की जांच करने की आवश्यकता होती है ताकि निम्नलिखित अनुकूलन को पैरामीटर रेंज तक सीमित किया जा सके जहां नकारात्मक प्रभाव नहीं देखे जाते हैं। व्यवहार्यता अध्ययन के लिए, ऐसे परीक्षणों में उपकरण और नमूनों के लिए खर्च को सीमित करने के लिए छोटी प्रयोगशाला या बेंच-टॉप इकाइयों की सिफारिश की जाती है। आम तौर पर 100 से 1,000 वाट इकाइयां व्यवहार्यता अध्ययन के उद्देश्यों को बहुत अच्छी तरह से पूरा करती हैं। (सीएफ. Hielscher 2005)

अनुकूलन

व्यवहार्यता अध्ययन के दौरान प्राप्त परिणाम इलाज की गई छोटी मात्रा के बारे में काफी अधिक ऊर्जा खपत दिखा सकते हैं। लेकिन व्यवहार्यता परीक्षण का उद्देश्य मुख्य रूप से सामग्री को अल्ट्रासाउंड के प्रभाव को दिखाना है। यदि व्यवहार्यता परीक्षण में सकारात्मक प्रभाव हुए, तो ऊर्जा/मात्रा अनुपात को अनुकूलित करने के लिए और प्रयास किए जाने चाहिए। इसका मतलब है कि प्रक्रिया को आर्थिक रूप से सबसे उचित और कुशल बनाने के लिए कम ऊर्जा का उपयोग करके उच्चतम उपज प्राप्त करने के लिए अल्ट्रासाउंड मापदंडों के आदर्श विन्यास का पता लगाना। इष्टतम पैरामीटर कॉन्फ़िगरेशन खोजने के लिए – न्यूनतम ऊर्जा इनपुट के साथ इच्छित लाभ प्राप्त करना - सबसे महत्वपूर्ण मापदंडों के बीच संबंध आयाम, दबाव, तापमान और तरल पदार्थ रचना की जांच होनी चाहिए। इस दूसरे चरण में प्रवाह सेल रिएक्टर के साथ एक सतत sonication सेटअप करने के लिए बैच sonication से परिवर्तन की सिफारिश की है के रूप में दबाव के महत्वपूर्ण पैरामीटर बैच sonication के लिए प्रभावित नहीं किया जा सकता है. एक बैच में sonication के दौरान, दबाव परिवेश के दबाव तक सीमित है। यदि सोनीशन प्रक्रिया एक दबाव प्रवाह सेल कक्ष से गुजरती है, तो दबाव को ऊंचा (या कम) किया जा सकता है जो सामान्य रूप से अल्ट्रासोनिक को प्रभावित करता है गुहिकायन काफी। एक प्रवाह सेल का उपयोग करके, दबाव और प्रक्रिया दक्षता के बीच संबंध निर्धारित किया जा सकता है. के बीच अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर 500 वाट और 2000 वाट शक्ति के एक प्रक्रिया को अनुकूलित करने के लिए सबसे उपयुक्त हैं।

वाणिज्यिक उत्पादन के लिए स्केल-अप

यदि इष्टतम कॉन्फ़िगरेशन पाया गया है, तो आगे स्केल-अप सरल है क्योंकि अल्ट्रासोनिक प्रक्रियाएं हैं एक रैखिक पैमाने पर पूरी तरह से प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य. इसका मतलब है, जब अल्ट्रासाउंड समान प्रसंस्करण पैरामीटर कॉन्फ़िगरेशन के तहत एक समान तरल सूत्रीकरण पर लागू होता है, तो प्रसंस्करण के पैमाने से स्वतंत्र एक समान परिणाम प्राप्त करने के लिए प्रति मात्रा समान ऊर्जा की आवश्यकता होती है। (हिल्स्चर 2005)। यह पूर्ण पैमाने पर उत्पादन आकार के लिए अल्ट्रासाउंड के इष्टतम पैरामीटर विन्यास को लागू करना संभव बनाता है। वस्तुतः, अल्ट्रासोनिक रूप से संसाधित की जा सकने वाली मात्रा असीमित है। वाणिज्यिक अल्ट्रासोनिक सिस्टम तक 16,000 वाट प्रति यूनिट उपलब्ध हैं और समूहों में स्थापित किए जा सकते हैं। अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर के ऐसे समूहों को समानांतर या श्रृंखला में स्थापित किया जा सकता है। उच्च शक्ति अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर की क्लस्टर-वार स्थापना से, कुल शक्ति लगभग असीमित है ताकि उच्च मात्रा धाराओं को समस्या के बिना संसाधित किया जा सके। इसके अलावा अगर अल्ट्रासोनिक प्रणाली के अनुकूलन की आवश्यकता होती है, उदाहरण के लिए मापदंडों को संशोधित तरल निर्माण में समायोजित करने के लिए, यह ज्यादातर सोनोट्रोड, बूस्टर या प्रवाह सेल को बदलकर किया जा सकता है। रैखिक मापनीयता, प्रजनन क्षमता और अल्ट्रासाउंड की अनुकूलन क्षमता इस नवीन तकनीक को कुशल और लागत प्रभावी बनाती है।

अल्ट्रासोनिक प्रसंस्करण के पैरामीटर्स

अल्ट्रासोनिक तरल प्रसंस्करण कई मापदंडों द्वारा वर्णित है। सबसे महत्वपूर्ण आयाम, दबाव, तापमान, चिपचिपाहट और एकाग्रता हैं। प्रक्रिया परिणाम, जैसे कण आकार, किसी दिए गए पैरामीटर कॉन्फ़िगरेशन के लिए प्रति संसाधित मात्रा में ऊर्जा का एक कार्य है। व्यक्तिगत मापदंडों में परिवर्तन के साथ फ़ंक्शन बदलता है। इसके अलावा, एक अल्ट्रासोनिक इकाई के सोनोट्रोड के सतह क्षेत्र प्रति वास्तविक बिजली उत्पादन मापदंडों पर निर्भर करता है। सोनोट्रोड के प्रति सतह क्षेत्र में बिजली उत्पादन सतह की तीव्रता (I) है। सतह की तीव्रता आयाम (ए), दबाव (पी), रिएक्टर मात्रा (वीआर), तापमान (टी), चिपचिपाहट (η) और अन्य पर निर्भर करती है।

उत्पन्न गुहिकायन का प्रभाव सतह की तीव्रता पर निर्भर करता है। उसी तरह, प्रक्रिया परिणाम सहसंबंधित है। एक अल्ट्रासोनिक इकाई का कुल बिजली उत्पादन सतह की तीव्रता (I) और सतह क्षेत्र (S) का उत्पाद है:

p [पश्‍चिमी] मैं [पश्‍चिमी / मिलिमीटर²]* दक्षिणी[मिलिमीटर²]

विस्‍तीर्णता

दोलन का आयाम उस तरीके का वर्णन करता है (जैसे 50 माइक्रोन) सोनोट्रोड सतह एक निश्चित समय में यात्रा करती है (उदाहरण के लिए 20kHz पर 1/20,000s)। आयाम जितना बड़ा होगा, वह दर उतनी ही अधिक होगी जिस पर प्रत्येक स्ट्रोक पर दबाव कम होता है और बढ़ता है। इसके अलावा, प्रत्येक स्ट्रोक का वॉल्यूम विस्थापन बढ़ जाता है जिसके परिणामस्वरूप एक बड़ा गुहिकायन वॉल्यूम (बुलबुला आकार और/या संख्या) होता है। जब फैलाव पर लागू किया जाता है, तो उच्च आयाम ठोस कणों के लिए एक उच्च विनाश दिखाते हैं। तालिका 1 कुछ अल्ट्रासोनिक प्रक्रियाओं के लिए सामान्य मान दिखाती है।

परेशानी

एक तरल का क्वथनांक दबाव पर निर्भर करता है। दबाव जितना अधिक होगा, क्वथनांक उतना ही अधिक होगा, और रिवर्स होगा। ऊंचा दबाव क्वथनांक के करीब या उससे ऊपर के तापमान पर गुहिकायन की अनुमति देता है। यह विस्फोट की तीव्रता को भी बढ़ाता है, जो स्थिर दबाव और बुलबुले के अंदर वाष्प दबाव के बीच अंतर से संबंधित है (cf. Vercet et al. 1999)। चूंकि अल्ट्रासोनिक शक्ति और तीव्रता दबाव में परिवर्तन के साथ जल्दी से बदलती है, इसलिए एक निरंतर-दबाव पंप बेहतर होता है। प्रवाह सेल को तरल की आपूर्ति करते समय, पंप उपयुक्त दबाव पर विशिष्ट तरल प्रवाह को संभालने में सक्षम होना चाहिए। डायाफ्राम या झिल्ली पंप; लचीली-ट्यूब, नली या निचोड़ पंप; क्रमिक वृत्तों में सिकुड़नेवाला पंप; या पिस्टन या सवार पंप बारी-बारी से दबाव में उतार-चढ़ाव पैदा करेगा। केन्द्रापसारक पंप, गियर पंप, सर्पिल पंप, और प्रगतिशील गुहा पंप जो तरल को लगातार स्थिर दबाव पर सोनिकेट करने की आपूर्ति करते हैं, को प्राथमिकता दी जाती है। (हिल्स्चर 2005)

तापमान

एक तरल को सोनिकेट करके, शक्ति को माध्यम में प्रेषित किया जाता है। चूंकि अल्ट्रासोनिक रूप से उत्पन्न दोलन अशांति और घर्षण का कारण बनता है, सोनिकेटेड तरल - ऊष्मप्रवैगिकी के नियम के अनुसार – गर्म हो जाएगा। संसाधित माध्यम का ऊंचा तापमान सामग्री के लिए विनाशकारी हो सकता है और अल्ट्रासोनिक गुहिकायन की प्रभावशीलता को कम कर सकता है। अभिनव अल्ट्रासोनिक प्रवाह कोशिकाएं एक शीतलन जैकेट (चित्र देखें) से सुसज्जित हैं। उसके द्वारा, अल्ट्रासोनिक प्रसंस्करण के दौरान सामग्री के तापमान पर सटीक नियंत्रण दिया जाता है। छोटी मात्रा के बीकर sonication के लिए गर्मी लंपटता के लिए एक बर्फ स्नान की सिफारिश की है.

चिपचिपापन और एकाग्रता

पराध्वनिक निरुद्देश्य घूमना और फैलाना तरल प्रक्रियाएं हैं। कणों को निलंबन में होना चाहिए, उदाहरण के लिए पानी, तेल, सॉल्वैंट्स या रेजिन में। अल्ट्रासोनिक फ्लो-थ्रू सिस्टम के उपयोग से, बहुत चिपचिपा, पेस्टी सामग्री को सोनिकेट करना संभव हो जाता है।
उच्च शक्ति अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर काफी उच्च ठोस सांद्रता पर चलाया जा सकता है। एक उच्च एकाग्रता अल्ट्रासोनिक प्रसंस्करण की प्रभावशीलता प्रदान करती है, क्योंकि अल्ट्रासोनिक मिलिंग प्रभाव अंतर-कण टकराव के कारण होता है। जांच से पता चला है कि सिलिका की टूटने की दर वजन से 50% तक ठोस एकाग्रता से स्वतंत्र है। अत्यधिक केंद्रित सामग्री के अनुपात के साथ मास्टर बैचों का प्रसंस्करण अल्ट्रासोनिकेशन का उपयोग करके एक सामान्य उत्पादन प्रक्रिया है।

शक्ति और तीव्रता बनाम ऊर्जा

सतह की तीव्रता और कुल शक्ति केवल प्रसंस्करण की तीव्रता का वर्णन करती है। सोनिकेटेड नमूना मात्रा और निश्चित तीव्रता पर एक्सपोजर के समय को स्केलेबल और प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य बनाने के लिए एक सोनीशन प्रक्रिया का वर्णन करने पर विचार किया जाना चाहिए। किसी दिए गए पैरामीटर कॉन्फ़िगरेशन के लिए प्रक्रिया परिणाम, जैसे कण आकार या रासायनिक रूपांतरण, प्रति मात्रा (ई / वी) ऊर्जा पर निर्भर करेगा।

परिणाम = स्‍त्री-विषयक (ई /बहुत )

जहां ऊर्जा (ई) बिजली उत्पादन (पी) और एक्सपोजर (टी) का समय है।

ई[डब्ल्यूएस] = p[पश्‍चिमी]*टन[दक्षिणी]

पैरामीटर कॉन्फ़िगरेशन में परिवर्तन परिणाम फ़ंक्शन को बदल देगा। यह बदले में एक विशिष्ट परिणाम मूल्य प्राप्त करने के लिए दिए गए नमूना मूल्य (वी) के लिए आवश्यक ऊर्जा (ई) की मात्रा को बदल देगा। इस कारण से परिणाम प्राप्त करने के लिए एक प्रक्रिया में अल्ट्रासाउंड की एक निश्चित शक्ति को तैनात करना पर्याप्त नहीं है। आवश्यक शक्ति और पैरामीटर कॉन्फ़िगरेशन की पहचान करने के लिए एक अधिक परिष्कृत दृष्टिकोण की आवश्यकता होती है जिस पर शक्ति को प्रक्रिया सामग्री में रखा जाना चाहिए। (हिल्स्चर 2005)

बायोएथेनॉल के अल्ट्रासोनिक रूप से सहायता प्राप्त उत्पादन

यह पहले से ही ज्ञात है कि अल्ट्रासाउंड बायोएथेनॉल उत्पादन में सुधार करता है। बायोमास के साथ तरल को अत्यधिक चिपचिपा घोल में गाढ़ा करने की सिफारिश की जाती है जो अभी भी पंप करने योग्य है। अल्ट्रासोनिक रिएक्टर काफी उच्च ठोस सांद्रता को संभाल सकते हैं ताकि सोनिकेशन प्रक्रिया को सबसे कुशल चलाया जा सके। घोल में जितनी अधिक सामग्री निहित होती है, कम वाहक तरल, जो सोनिकेशन प्रक्रिया से लाभ नहीं उठाएगा, का इलाज किया जाएगा। चूंकि तरल में ऊर्जा का इनपुट ऊष्मप्रवैगिकी के कानून द्वारा तरल के हीटिंग का कारण बनता है, इसका मतलब है कि अल्ट्रासोनिक ऊर्जा को लक्ष्य सामग्री पर लागू किया जाता है, जहां तक संभव हो। इस तरह के एक कुशल प्रक्रिया डिजाइन द्वारा, अतिरिक्त वाहक तरल के बेकार हीटिंग से बचा जाता है।
अल्ट्रासाउंड सहायता करता है कुल इंट्रासेल्युलर सामग्री का और इसे एंजाइमी किण्वन के लिए उपलब्ध कराता है। हल्के अल्ट्रासाउंड उपचार एंजाइमी गतिविधि को बढ़ा सकते हैं, लेकिन बायोमास निष्कर्षण के लिए अधिक तीव्र अल्ट्रासाउंड की आवश्यकता होगी। इसलिए, एंजाइमों को सोनिकेशन के बाद बायोमास घोल में जोड़ा जाना चाहिए क्योंकि तीव्र अल्ट्रासाउंड एंजाइमों को निष्क्रिय करता है, जो एक वांछित प्रभाव नहीं है।

वैज्ञानिक अनुसंधान द्वारा प्राप्त वर्तमान परिणाम:

चावल के भूसे से बायोएथेनॉल उत्पादन से संबंधित योस्वाथाना एट अल (2010) के अध्ययनों से पता चला है कि एंजाइमी उपचार से पहले एसिड प्री-ट्रीटमेंट और अल्ट्रासोनिक के संयोजन से 44% (चावल के भूसे के आधार पर) तक की चीनी उपज में वृद्धि होती है। यह चीनी के लिए लिग्नोसेल्यूलोज सामग्री के एंजाइमी हाइड्रोलिसिस से पहले भौतिक और रासायनिक ढोंग के संयोजन की प्रभावशीलता को दर्शाता है।

चार्ट 2 चावल के भूसे से ग्राफिक रूप से बायोएथेनॉल उत्पादन के दौरान अल्ट्रासोनिक विकिरण के सकारात्मक प्रभावों को दिखाता है। (चारकोल का उपयोग एसिड / एंजाइम प्रीट्रीटमेंट और अल्ट्रासोनिक प्रीट्रीटमेंट से प्रीट्रीटेड नमूनों को डिटॉक्सीफाई करने के लिए किया गया है।

एक अन्य हालिया अध्ययन में, β-गैलेक्टोसिडेज़ एंजाइम के बाह्य और इंट्रासेल्युलर स्तरों पर अल्ट्रासोनिकेशन के प्रभाव की जांच की गई है। सुलेमान एट अल (2011) बायोएथेनॉल उत्पादन की उत्पादकता में काफी सुधार कर सकता है, एक नियंत्रित तापमान पर अल्ट्रासाउंड का उपयोग करके क्लूवेरोमाइसेस मार्क्सियनस (एटीसीसी 46537) के खमीर विकास को उत्तेजित करता है। पेपर के लेखक फिर से शुरू करते हैं कि 11.8Wcm की अपेक्षाकृत उच्च सोनिकेशन तीव्रता पर K. मार्क्सियानस में ≤20% उत्तेजित बायोमास उत्पादन, लैक्टोज चयापचय और इथेनॉल उत्पादन के कर्तव्य चक्रों पर पावर अल्ट्रासाउंड (20 kHz) के साथ आंतरायिक sonication⁻². सर्वोत्तम परिस्थितियों में, सोनिकेशन ने अंतिम इथेनॉल एकाग्रता को नियंत्रण के सापेक्ष लगभग 3.5 गुना बढ़ा दिया। यह इथेनॉल उत्पादकता में 3.5 गुना वृद्धि के अनुरूप था, लेकिन सोनिकेशन के माध्यम से शोरबा के प्रति घन मीटर अतिरिक्त बिजली इनपुट के 952W की आवश्यकता थी। ऊर्जा के लिए यह अतिरिक्त आवश्यकता निश्चित रूप से बायोरिएक्टरों के लिए स्वीकार्य परिचालन मानदंडों के भीतर थी और उच्च मूल्य वाले उत्पादों के लिए, बढ़ी हुई उत्पादकता से आसानी से मुआवजा दिया जा सकता था।

निष्कर्ष: अल्ट्रासोनिक रूप से सहायता प्राप्त किण्वन से लाभ

अल्ट्रासोनिक उपचार को बायोएथेनॉल उपज बढ़ाने के लिए एक कुशल और अभिनव तकनीक के रूप में दिखाया गया है। मुख्य रूप से, अल्ट्रासाउंड का उपयोग बायोमास से इंट्रासेल्युलर सामग्री निकालने के लिए किया जाता है, जैसे मकई, सोयाबीन, पुआल, लिग्नो-सेल्यूलोसिक सामग्री या वनस्पति अपशिष्ट पदार्थ।

• बायोएथेनॉल उपज में वृद्धि
• कोशिका विनाश और इंट्रा-सेलुलर सामग्री की रिहाई
• बेहतर एनारोबिक अपघटन
• हल्के सोनिकेशन द्वारा एंजाइमों का सक्रियण
• उच्च सांद्रता घोल द्वारा प्रक्रिया दक्षता में सुधार

सरल परीक्षण, प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य स्केल-अप और आसान स्थापना (पहले से मौजूद उत्पादन धाराओं में भी) अल्ट्रासोनिक्स को एक लाभदायक और कुशल तकनीक बनाती है। वाणिज्यिक प्रसंस्करण के लिए विश्वसनीय औद्योगिक अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर उपलब्ध हैं और लगभग असीमित तरल संस्करणों को सोनी करना संभव बनाते हैं।