Ultrazvučno potpomognuta fermentacija za proizvodnju bioetanola

Ultrazvučno potpomognuta fermentacija može poboljšati proizvodnju bioetanola promicanjem razgradnje složenih ugljikohidrata u jednostavnije šećere, čineći ih lakšim za pretvorbu kvasca u etanol. Istovremeno, ultrazvuk također poboljšava učinkovitost propusnosti stanične stijenke kvasca, omogućavajući brže otpuštanje etanola i povećanje ukupne proizvodnje. Stoga, ultrazvučno potpomognuta fermentacija bioetanola rezultira višim stopama pretvorbe i povećanim prinosima.

vrenje

Fermentacija može biti aerobni (= oksidativna fermentacija) ili anaerobni proces, koji se koristi za biotehnološke primjene za pretvorbu organskog materijala pomoću bakterijskih, gljivičnih ili drugih bioloških staničnih kultura ili pomoću enzima. Fermentacijom se energija izvlači iz oksidacije organskih spojeva, npr. ugljikohidrata.
Šećer je najčešći supstrat fermentacije, a nakon fermentacije nastaju proizvodi kao što su mliječna kiselina, laktoza, etanol i vodik. Za alkoholnu fermentaciju, etanol – posebno za upotrebu kao gorivo, ali i za alkoholna pića – nastaje fermentacijom. Kada određeni sojevi kvasca, kao što je saharomyces cerevisiae metaboliziraju šećer, stanice kvasca pretvaraju početni materijal u etanol i ugljični dioksid.

Kemijske jednadžbe u nastavku sažimaju konverziju:

Ako je početni materijal škrob, npr. iz kukuruza, prvo se škrob mora pretvoriti u šećer. Za bioetanol koji se koristi kao gorivo potrebna je hidroliza za pretvorbu škroba. Tipično, hidroliza se ubrzava kiselim ili enzimskim tretmanom ili kombinacijom oba. Obično se fermentacija odvija na oko 35-40 °C.
Pregled različitih procesa fermentacije:

hrana:

• proizvodnja & očuvanje
• mliječni proizvodi (fermentacija mliječne kiseline), npr. jogurt, mlaćenica, kefir
• mliječno fermentirano povrće, npr. kimchi, miso, natto, tsukemono, kiseli kupus
• razvoj aromatika, npr. sojin umak
• razgradnja sredstava za štavljenje, npr. čaj, kakao, kava, duhan
• alkoholna pića, npr. pivo, vino, viski

lijekovi:

• proizvodnja medicinskih spojeva, npr. inzulina, hijaluronske kiseline

Bioplin/etanol:

• poboljšanje proizvodnje bioplina/bioetanola

Razni istraživački radovi i testovi u stacionarnoj i pilot veličini pokazali su da ultrazvuk poboljšava proces fermentacije čineći više biomase dostupnim za enzimatsku fermentaciju. U sljedećem odjeljku razradit će se učinci ultrazvuka u tekućini.

Učinci ultrazvučne obrade tekućinom

Ultrazvukom velike snage/niske frekvencije mogu se generirati visoke amplitude. Stoga se ultrazvuk velike snage/niske frekvencije može koristiti za obradu tekućina kao što je miješanje, emulgiranje, dispergiranje i deaglomeracija ili mljevenje.
Prilikom sonikiranja tekućina pri visokim intenzitetima, zvučni valovi koji se šire u tekući medij rezultiraju izmjeničnim ciklusima visokog tlaka (kompresija) i niskog tlaka (razrjeđivanje), s brzinama koje ovise o frekvenciji. Tijekom ciklusa niskog tlaka, ultrazvučni valovi visokog intenziteta stvaraju male vakuumske mjehuriće ili šupljine u tekućini. Kada mjehurići postignu volumen pri kojem više ne mogu apsorbirati energiju, nasilno se kolabiraju tijekom ciklusa visokog tlaka. Ova pojava se naziva kavitacija. kavitacija, to je “stvaranje, rast i implozivno kolapsiranje mjehurića u tekućini. Kavitacijski kolaps proizvodi intenzivno lokalno zagrijavanje (~5000 K), visoke tlakove (~1000 atm) i ogromne brzine zagrijavanja i hlađenja (>109 K/s)” i tekuće mlazne struje (~400 km/h)”. (Suslick 1998.)

Postoje različita sredstva za stvaranje kavitacije, kao što su visokotlačne mlaznice, rotor-stator miješalice ili ultrazvučni procesori. U svim tim sustavima ulazna energija se pretvara u trenje, turbulencije, valove i kavitaciju. Udio ulazne energije koji se transformira u kavitaciju ovisi o nekoliko čimbenika koji opisuju kretanje opreme za generiranje kavitacije u tekućini. Intenzitet ubrzanja jedan je od najvažnijih čimbenika koji utječu na učinkovitu transformaciju energije u kavitaciju. Veće ubrzanje stvara veće razlike tlaka. To zauzvrat povećava vjerojatnost stvaranja vakuumskih mjehurića umjesto stvaranja valova koji se šire kroz tekućinu. Dakle, što je veće ubrzanje, veći je udio energije koji se pretvara u kavitaciju.
U slučaju ultrazvučnog pretvarača, amplituda osciliranja opisuje intenzitet ubrzanja. Veće amplitude rezultiraju učinkovitijim stvaranjem kavitacije. Osim intenziteta, tekućinu treba ubrzati na način da stvara minimalne gubitke u vidu turbulencija, trenja i generiranja valova. Za to je optimalan način jednostrani smjer kretanja. Mijenjanjem intenziteta i parametara procesa sonikacije, ultrazvuk može biti vrlo tvrd ili vrlo mekan. To čini ultrazvuk vrlo svestranim alatom za različite primjene.

Meke primjene, primjena blage sonikacije u blagim uvjetima, uključuju otplinjavanje, Emulgiranjei aktivacija enzima. Teške primjene s ultrazvukom visokog intenziteta/velike snage (uglavnom pod povišenim tlakom). mokro mljevenje, deaglomeracija & smanjenje veličine čestica i Raspršivanje. Za mnoge primjene kao što su Izvlačenje, raspad odn Sonokemija, zahtijevani ultrazvučni intenzitet ovisi o specifičnom materijalu koji se sonicira. Raznolikošću parametara, koji se mogu prilagoditi pojedinom procesu, ultrazvuk omogućuje pronalaženje "sweet spot"-a za svaki pojedini proces.
Osim izvanredne pretvorbe energije, ultrazvučna obrada nudi veliku prednost potpune kontrole nad najvažnijim parametrima: amplitudom, tlakom, temperaturom, viskoznošću i koncentracijom. To nudi mogućnost podešavanja svih ovih parametara s ciljem pronalaženja idealnih parametara obrade za svaki pojedini materijal. To rezultira većom učinkovitošću kao i optimiziranom učinkovitošću.

Ultrazvuk za poboljšanje procesa fermentacije, objašnjeno na primjeru proizvodnje bioetanola

Bioetanol je proizvod razgradnje biomase ili biorazgradive tvari otpada od strane anaerobnih ili aerobnih bakterija. Proizvedeni etanol uglavnom se koristi kao biogorivo. To čini bioetanol obnovljivom i ekološki prihvatljivom alternativom za fosilna goriva, kao što je prirodni plin.
Za proizvodnju etanola iz biomase, šećer, škrob i lignocelulozni materijal mogu se koristiti kao sirovina. Za veličinu industrijske proizvodnje trenutno prevladavaju šećer i škrob jer su ekonomski povoljni.
Kako ultrazvuk poboljšava proces individualnog kupca sa specifičnom sirovinom pod danim uvjetima može se vrlo jednostavno isprobati testovima izvedivosti. U prvom koraku, ultrazvučna obrada male količine kaše sirovog materijala laboratorijski uređaj pokazat će ako ultrazvuk utječe na sirovinu.

ispitivanje izvedivosti

U prvoj fazi testiranja prikladno je unijeti relativno visoku količinu ultrazvučne energije u mali volumen tekućine jer se time povećava mogućnost da se vidi mogu li se dobiti bilo kakvi rezultati. Mala količina uzorka također skraćuje vrijeme korištenja laboratorijskog uređaja i smanjuje troškove prvih pretraga.
Ultrazvučni valovi se prenose pomoću površine sonotrode u tekućinu. Ispod površine sonotrode, intenzitet ultrazvuka je najintenzivniji. Stoga su poželjne kratke udaljenosti između sonotrode i ultrazvučno obrađenog materijala. Kada je izložen mali volumen tekućine, udaljenost od sonotrode može biti kratka.
Tablica u nastavku prikazuje tipične razine energije/volumena za procese sonikacije nakon optimizacije. Budući da prva ispitivanja neće biti izvedena u optimalnoj konfiguraciji, intenzitet sonikacije i vrijeme za 10 do 50 puta od tipične vrijednosti pokazat će ima li ikakvog učinka na sonikirani materijal ili ne.

Postupak	energija/ volumen	Volumen uzorka	Vlast	Vrijeme
jednostavan	< 100 Ws/mL	10 ml	50W	< 20 sek
Srednji	100Ws/mL do 500Ws/mL	10 ml	50W	20 do 100 sek
teško	> 500 Ws/mL	10 ml	50W	>100 sek

stol 1 – Tipične vrijednosti sonikacije nakon optimizacije procesa

Stvarna ulazna snaga testnih vožnji može se zabilježiti putem integriranog snimanja podataka (UP200Ht i UP200St), PC-sučeljem ili putem mjerača snage. U kombinaciji sa snimljenim podacima o postavci amplitude i temperaturi, rezultati svakog pokusa mogu se procijeniti i može se utvrditi donja crta za energiju/volumen.
Ako je tijekom testiranja odabrana optimalna konfiguracija, performanse ove konfiguracije mogu se provjeriti tijekom koraka optimizacije i konačno se mogu povećati na komercijalnu razinu. Kako bi se olakšala optimizacija, toplo se preporučuje ispitati granice sonikacije, npr. temperaturu, amplitudu ili energiju/volumen za specifične formulacije. Budući da ultrazvuk može generirati negativne učinke na stanice, kemikalije ili čestice, potrebno je ispitati kritične razine za svaki parametar kako bi se sljedeća optimizacija ograničila na raspon parametara gdje se negativni učinci ne opažaju. Za studiju izvedivosti preporučuju se mali laboratoriji ili stolne jedinice kako bi se ograničili troškovi opreme i uzoraka u takvim ispitivanjima. Općenito jedinice od 100 do 1000 W vrlo dobro služe u svrhu studije izvedivosti. (usp. Hielscher 2005.)

optimizacija

Rezultati postignuti tijekom studija izvodljivosti mogu pokazati prilično visoku potrošnju energije s obzirom na mali obrađeni volumen. Ali svrha testa izvedivosti prvenstveno je pokazati učinke ultrazvuka na materijal. Ako se tijekom ispitivanja izvedivosti pojave pozitivni učinci, potrebno je uložiti dodatne napore kako bi se optimizirao omjer energija/volumen. To znači istražiti idealnu konfiguraciju ultrazvučnih parametara kako bi se postigao najveći prinos koristeći manje moguće energije kako bi proces bio ekonomski najrazumniji i učinkovitiji. Da biste pronašli optimalnu konfiguraciju parametara – postizanje željenih koristi uz minimalni energetski unos – korelacija između najvažnijih parametara amplituda, pritisak, temperatura i tekućina sastav treba istražiti. U ovom drugom koraku preporučuje se promjena sa šaržne sonikacije na kontinuiranu postavku sonikacije s protočnim ćelijskim reaktorom jer se ne može utjecati na važan parametar tlaka za šaržnu sonikaciju. Tijekom sonikacije u seriji, tlak je ograničen na tlak okoline. Ako proces sonikacije prolazi kroz komoru protočne ćelije pod pritiskom, tlak se može povisiti (ili smanjiti) što općenito utječe na ultrazvuk kavitacija drastično. Korištenjem protočne ćelije može se odrediti korelacija između tlaka i učinkovitosti procesa. Ultrazvučni procesori između 500 vata i 2000 vata snage su najprikladniji za optimizaciju procesa.

Povećanje do komercijalne proizvodnje

Ako je pronađena optimalna konfiguracija, daljnje povećanje je jednostavno kao što su ultrazvučni procesi potpuno ponovljiv na linearnoj skali. To znači, kada se ultrazvuk primjenjuje na identičnu tekuću formulaciju pod identičnom konfiguracijom parametara obrade, potrebna je ista energija po volumenu da se dobije identičan rezultat neovisno o opsegu obrade. (Hielscher 2005). To omogućuje implementaciju optimalne konfiguracije parametara ultrazvuka u punoj proizvodnoj veličini. Praktično, volumen koji se može obraditi ultrazvučno je neograničen. Komercijalni ultrazvučni sustavi s do 16 000 vata po jedinici su dostupni i mogu se instalirati u klasterima. Takvi klasteri ultrazvučnih procesora mogu se instalirati paralelno ili u seriji. Instalacijom ultrazvučnih procesora velike snage u klasteru, ukupna snaga je gotovo neograničena tako da se tokovi velikog volumena mogu obraditi bez problema. Također, ako je potrebna prilagodba ultrazvučnog sustava, npr. za prilagodbu parametara modificiranoj tekućoj formulaciji, to se uglavnom može učiniti promjenom sonotrode, pojačivača ili protočne ćelije. Linearna skalabilnost, ponovljivost i prilagodljivost ultrazvuka čine ovu inovativnu tehnologiju učinkovitom i ekonomičnom.

Parametri ultrazvučne obrade

Ultrazvučna obrada tekućine opisuje se nizom parametara. Najvažniji su amplituda, tlak, temperatura, viskoznost i koncentracija. Rezultat procesa, kao što je veličina čestica, za danu konfiguraciju parametara funkcija je energije po prerađenom volumenu. Funkcija se mijenja s promjenama pojedinih parametara. Nadalje, stvarna izlazna snaga po površini sonotrode ultrazvučne jedinice ovisi o parametrima. Izlazna snaga po površini sonotrode je površinski intenzitet (I). Intenzitet površine ovisi o amplitudi (A), tlaku (p), volumenu reaktora (VR), temperaturi (T), viskoznosti (η) i dr.

Utjecaj nastale kavitacije ovisi o intenzitetu površine. Na isti način, rezultat procesa korelira. Ukupna izlazna snaga ultrazvučne jedinice umnožak je površinskog intenziteta (I) i površine (S):

str [w] ja [w / mm²]* s[mm²]

amplituda

Amplituda oscilacija opisuje način (npr. 50 µm) sonotrode površina putuje u određenom vremenu (npr. 1/20,000 s na 20 kHz). Što je veća amplituda, to je veća brzina kojom se tlak smanjuje i povećava pri svakom udaru. Uz to, volumenski pomak svakog udara se povećava što rezultira većim volumenom kavitacije (veličina i/ili broj mjehurića). Kada se primijene na disperzije, veće amplitude pokazuju veću destruktivnost za čvrste čestice. Tablica 1 prikazuje opće vrijednosti za neke ultrazvučne procese.

pritisak

Vrelište tekućine ovisi o tlaku. Što je viši tlak to je viša točka vrelišta, i obrnuto. Povišeni tlak omogućuje kavitaciju na temperaturama blizu ili iznad vrelišta. Također povećava intenzitet implozije, što je povezano s razlikom između statičkog tlaka i tlaka pare unutar mjehurića (usp. Vercet et al. 1999). Budući da se ultrazvučna snaga i intenzitet brzo mijenjaju s promjenama tlaka, poželjna je pumpa s konstantnim tlakom. Prilikom dovođenja tekućine u protočnu ćeliju, pumpa bi trebala biti sposobna nositi se s specifičnim protokom tekućine pri odgovarajućim tlakovima. Membranske ili membranske pumpe; pumpe sa savitljivom cijevi, crijevom ili na istiskivanje; peristaltičke pumpe; ili klipna ili klipna pumpa će stvoriti izmjenične fluktuacije tlaka. Poželjne su centrifugalne pumpe, zupčaste pumpe, spiralne pumpe i pumpe s progresivnim šupljinama koje opskrbljuju tekućinu koja se sonicira uz stalno stabilan tlak. (Hielscher 2005.)

temperatura

Soniciranjem tekućine snaga se prenosi u medij. Budući da ultrazvučno generirana oscilacija uzrokuje turbulencije i trenje, sonicirana tekućina – u skladu sa zakonom termodinamike – zagrijat će se. Povišene temperature obrađenog medija mogu biti destruktivne za materijal i smanjiti učinkovitost ultrazvučne kavitacije. Inovativne ultrazvučne protočne ćelije opremljene su rashladnim plaštom (vidi sliku). Time je dana točna kontrola nad temperaturom materijala tijekom ultrazvučne obrade. Za sonikaciju čaše manjih volumena preporučuje se ledena kupelj za odvođenje topline.

Viskoznost i koncentracija

ultrazvučni mljevenje i Raspršivanje su tekući procesi. Čestice moraju biti u suspenziji, npr. u vodi, ulju, otapalima ili smolama. Upotrebom ultrazvučnih protočnih sustava, postaje moguće ultrazvukom obraditi vrlo viskozan, pastozan materijal.
Ultrazvučni procesor velike snage može raditi pri prilično visokim koncentracijama krutih tvari. Visoka koncentracija osigurava učinkovitost ultrazvučne obrade, budući da je učinak ultrazvučnog mljevenja uzrokovan međučestičnim sudarom. Istraživanja su pokazala da je brzina lomljenja silicijevog dioksida neovisna o koncentraciji krutine do 50% težine. Obrada master šarža s omjerom visoko koncentriranog materijala uobičajen je proizvodni postupak korištenjem ultrazvučne obrade.

Snaga i intenzitet u odnosu na energiju

Površinski intenzitet i ukupna snaga opisuju samo intenzitet obrade. Volumen uzorka obrađen ultrazvukom i vrijeme izlaganja pri određenom intenzitetu moraju se uzeti u obzir za opisivanje procesa sonikacije kako bi bio skalabilan i ponovljiv. Za danu konfiguraciju parametara rezultat procesa, npr. veličina čestica ili kemijska pretvorba, ovisit će o energiji po volumenu (E/V).

Rezultat = F (E /V )

Gdje je energija (E) umnožak izlazne snage (P) i vremena izloženosti (t).

E[Ws] = str[w]*t[s]

Promjene u konfiguraciji parametara promijenit će funkciju rezultata. To će zauzvrat mijenjati količinu energije (E) potrebnu za danu vrijednost uzorka (V) kako bi se dobila određena vrijednost rezultata. Iz tog razloga nije dovoljno primijeniti određenu snagu ultrazvuka na proces da bi se dobio rezultat. Potreban je sofisticiraniji pristup kako bi se identificirala potrebna snaga i konfiguracija parametara pri kojoj se snaga treba staviti u procesni materijal. (Hielscher 2005.)

Ultrazvučno potpomognuta proizvodnja bioetanola

Već je poznato da ultrazvuk poboljšava proizvodnju bioetanola. Preporučljivo je zgusnuti tekućinu biomasom do visoko viskozne kaše koja se još može pumpati. Ultrazvučni reaktori mogu podnijeti prilično visoke koncentracije čvrstih tvari tako da se proces sonikacije može izvesti najučinkovitije. Što je više materijala sadržano u kaši, to će se tretirati manje tekućine nosača, koja neće imati koristi od procesa sonikacije. Budući da unos energije u tekućinu uzrokuje zagrijavanje tekućine prema zakonu termodinamike, to znači da se ultrazvučna energija primjenjuje na ciljni materijal, koliko god je to moguće. Takvim učinkovitim dizajnom procesa izbjegava se rasipno zagrijavanje viška tekućine nosača.
Ultrazvuk pomaže u Izvlačenje unutarstaničnog materijala i time ga čini dostupnim za enzimatsku fermentaciju. Blagi tretman ultrazvukom može povećati enzimsku aktivnost, ali za ekstrakciju biomase bit će potreban intenzivniji ultrazvuk. Stoga bi se enzimi trebali dodati kaši biomase nakon sonikacije jer intenzivan ultrazvuk inaktivira enzime, što nije željeni učinak.

Dosadašnji rezultati postignuti znanstvenim istraživanjima:

Studije Yoswathane i sur. (2010.) koji se bave proizvodnjom bioetanola iz rižine slame pokazali su da kombinacija kiselinske prethodne obrade i ultrazvuka prije enzimske obrade dovodi do povećanog prinosa šećera do 44% (na bazi rižine slame). Ovo pokazuje učinkovitost kombinacije fizičke i kemijske predobrade prije enzimske hidrolize lignoceluloznog materijala u šećer.

Grafikon 2 grafički prikazuje pozitivne učinke ultrazvučnog zračenja tijekom proizvodnje bioetanola iz rižine slame. (Ugljen je korišten za detoksikaciju prethodno tretiranih uzoraka od predtretmana kiselinom/enzimima i predtretmana ultrazvukom.)

U drugoj nedavnoj studiji ispitan je utjecaj ultrazvuka na izvanstanične i unutarstanične razine enzima β-galaktozidaze. Sulaiman i sur. (2011.) mogli su značajno poboljšati produktivnost proizvodnje bioetanola, korištenjem ultrazvuka na kontroliranoj temperaturi stimulirajući rast kvasca Kluyveromyces marxianus (ATCC 46537). Autori rada rezimiraju da je povremena sonikacija snažnim ultrazvukom (20 kHz) pri radnim ciklusima od ≤20% stimulirala proizvodnju biomase, metabolizam laktoze i proizvodnju etanola u K. marxianus pri relativno visokom intenzitetu sonikacije od 11,8 Wcm⁻². Pod najboljim uvjetima, sonikacija je povećala konačnu koncentraciju etanola za gotovo 3,5 puta u odnosu na kontrolu. To je odgovaralo 3,5-strukom povećanju produktivnosti etanola, ali je zahtijevalo 952 W dodatne ulazne snage po kubičnom metru juhe kroz sonikaciju. Ovaj dodatni zahtjev za energijom svakako je bio unutar prihvatljivih radnih normi za bioreaktore i, za proizvode visoke vrijednosti, mogao se lako nadoknaditi povećanom produktivnošću.

Zaključak: Prednosti ultrazvučno potpomognute fermentacije

Ultrazvučna obrada pokazala se kao učinkovita i inovativna tehnika za povećanje prinosa bioetanola. Prvenstveno, ultrazvuk se koristi za izdvajanje unutarstaničnog materijala iz biomase, poput kukuruza, soje, slame, lignoceluloznog materijala ili biljnog otpada.

• Povećanje prinosa bioetanola
• Dezinteracija/uništavanje stanica i oslobađanje unutarstaničnog materijala
• Poboljšana anaerobna razgradnja
• Aktivacija enzima blagom sonikacijom
• Poboljšanje učinkovitosti procesa visokokoncentriranim kašama

Jednostavno testiranje, ponovljivo povećanje i jednostavna instalacija (također u već postojećim proizvodnim tokovima) čini ultrazvuk profitabilnom i učinkovitom tehnologijom. Dostupni su pouzdani industrijski ultrazvučni procesori za komercijalnu obradu i omogućuju sonikaciju gotovo neograničenih količina tekućine.