Ultrazvučno Assisted fermentacije za bioetanol proizvodnja

Vrenje

Fermentacije može biti aerobna (= oksidativni fermentacija) ili anaerobni proces, koji se koristi za primjenu biotehnološkim pretvoriti organski materijal bakterijski, gljivično ili drugim kulturama stanica ili bioloških enzima. Fermentacijom, energija se ekstrahira s oksidaciju organskih spojeva, npr ugljikohidrati.

Šećer je najčešći supstrat za fermentaciju, koja se dobije nakon fermentacije u proizvode, kao što su mliječna kiselina, laktoza, etanola i vodika. Za alkoholnog vrenja, etanol - posebno za uporabu kao gorivo, ali i za alkoholna pića – se dobiva fermentacijom. Kada su neke kvasaca, kao što je Sakcharomyces cerevisiae metaboliziraju šećer, stanice kvasca pretvaranje polaznog materijala u etanolu i ugljični dioksid.

Kemijske jednadžbe ispod sažeti pretvorbe:

Ako je početni materijal je škrob, npr od kukuruza, škrob prvo se mora pretvoriti u šećer. Za bioethanol koristi kao gorivo, hidrolizom škroba za konverziju potrebna. Tipično, hidroliza se ubrzava kiselom ili enzimskom obradom, ili kombinaciju oba. Inače, fermentacija izvodi na oko 35-40 ° C.
Pregled više različitih procesa fermentacije:

hrana:

• proizvodnja & čuvanje
• mliječni (fermentacija mliječna kiselina), na primjer jogurt, mlaćenica, kefir
• mliječne fermentirani povrće, npr kimchi, miso, natto, tsukemono, kiseli kupus
• Razvoj aromata, npr umak od soje
• Razgradnja sredstva za štavljenje, npr čaj, kakao, kava, duhan
• alkoholna pića, npr pivo, vino, viski

lijekovi:

• proizvodnja medicinskih spojeva, npr inzulin, hijaluronska kiselina

Bioplin / etanol:

• poboljšanje bioplina / proizvodnja bioethano

Razni znanstveni radovi i ispitivanja u klupa-top i pilot veličine su pokazali da ultrazvuk poboljšava proces fermentacije tako što više biomase na raspolaganju za enzimske fermentacije. U sljedećem poglavlju, izradit će se učinci ultrazvuka u tekućini.

Učinci ultrazvučni Liquid obrada

Do velike snage / niske frekvencije ultrazvuka može biti generiran visoke amplitude. Time, high-power / niskofrekventnog ultrazvuka može se koristiti za obradu tekućina, kao što su miješanje, emulgiranje, raspršivanje i deaglomeraciju ili mljevenje.
Kada ultrazvuka tekućine na visokim intenzitetima, zvuk valova koji propagira u tekućem mediju rezultirati naizmjenično visokog pritiska (kompresija) i niskog tlaka (razrjeđivanje) ciklusi, uz stope ovisno o frekvenciji. Tijekom ciklusa niskog tlaka, visokog intenziteta ultrazvučni valovi stvaraju mali vakuum mjehurići ili šupljine u tekućini. Kada se mjehurići postići volumen na kojem se više ne može apsorbirati energiju, oni kolaps nasilno tijekom ciklusa visokog tlaka. Ova pojava naziva se kavitacija. kavitacija, to je “stvaranje, razvoj i -HDQD kolaps mjehurića u tekućinu. Cavitational kolaps proizvodi intenzivno lokalno zagrijavanje (~ 5000 K), visoki tlak (~ 1000 atm), i ogromne grijanje i hlađenje stope (>109 K/s)” i mlazne struje tekućina (~ 400 km / h).” (Suslick 1998)

Postoje različiti načini za stvaranje kavitacije, kao što su visokotlačne mlaznice, mješalice rotor-stator ili ultrazvučni procesori. U svim tim sustavima ulazna energija pretvara se u trenje, turbulencije, valove i kavitaciju. Frakcija ulazne energije koja se pretvara u kavitaciju ovisi o nekoliko faktora koji opisuju kretanje opreme za stvaranje kavitacije u tekućini. Intenzitet ubrzanja jedan je od najvažnijih čimbenika koji utječu na učinkovitu transformaciju energije u kavitaciju. Veće ubrzanje stvara veće razlike u tlaku. To zauzvrat povećava vjerojatnost stvaranja vakuumskih mjehurića umjesto stvaranja valova koji propagiraju kroz tekućinu. Dakle, što je ubrzanje veća, to je udio energije koja se pretvara u kavitaciju.
U slučaju ultrazvučnog pretvarača, amplituda titranja opisuje intenzitet ubrzanja. Veće amplitude dovesti do učinkovitije stvaranje kavitacije. Osim intenziteta, tekućinu treba ubrzati na način da stvori minimalne gubitke u smislu turbulencije, trenja i val generacije. Za to optimalan način je jednostrana smjer kretanja. Promjena intenziteta i parametara procesa ultrazvučnoj, ultrazvuk može biti vrlo teško ili vrlo mekana. To čini ultrazvuk vrlo svestran alat za različite primjene.

Soft aplikacije, primjenjujući blage obrada ultrazvukom pod blagim uvjetima, uključuju otplinjavanje, emulsifvingI aktivacije enzima. Tvrdi aplikacije s visokim intenzitetom / ultrazvuka velike snage (uglavnom pod povišenim tlakom) su mokro-glodanje, razbijanje nakupina & Smanjenje veličine čestica, i raspršivanje, Za mnoge aplikacije kao što su Izvlačenje, Raspadanje ili ultrazvučna kemija, Ultrazvučni intenzitet zatražio ovisi o konkretnom materijalu koji se s ultrazvukom. Do raznih parametara, koji se može prilagoditi pojedinom procesu, ultrazvuk omogućuje pronalaženje slatko mjesto za svaki pojedini proces.
Osim izvrsne pretvorbe energije, ultrazvuka pruža veliku prednost potpunu kontrolu nad najvažnijim parametrima: amplituda, tlaka, temperature, viskoznost, i koncentraciju. To pruža mogućnost da se prilagodi sve ove parametre s ciljem kako bi pronašli idealne parametre obrade za svaki pojedini materijal. To rezultira većom učinkovitošću kao i optimiziranim učinkovitosti.

Ultrazvuk poboljšati postupke fermentacije, objasnio je primjerno s proizvodnjom bioetanola

Bioetanol je proizvod razgradnje biomase ili biorazgradivog tvari otpada po anaerobnih i aerobnih bakterija. Proizvedenog etanola uglavnom koristi kao goriva. To čini bioetanol obnovljivi i ekološki alternativu za fosilna goriva, kao što je prirodni plin.
Za proizvodnju etanola od biomase, šećer, škrob, i lignoceluloznih materijal može se koristiti kao sirovina. Za industrijskoj proizvodnji, šećera i škroba trenutno prevladava kao što su ekonomski povoljna.
Kako ultrazvuk poboljšava proces kupca pojedinca s određenim sirovina pod danim uvjetima može isprobali vrlo jednostavno pomoću testova izvodljivosti. U prvom koraku, u sonication male količine sirovog materijala kaše s ultrazvučni laboratorij uređaj pokazat će, ako se ultrazvukom ne utječe na sirovinu.

Ispitivanje izvedivosti

U prvoj fazi testiranja, pogodan je za uvođenje relativno visoku količinu ultrazvučne energije u malom volumenu tekućih da je time šansa povećava vidjeti ako mogu dobiti nikakve rezultate. Mala količina uzorka također skraćuje vrijeme korištenjem uređaja laboratorijsku i smanjuje troškove za prvih testova.
Ultrazvučni valovi se prenose površini sonotrode je u tekućinu. Beneth površini sonotrode, intenzitet ultrazvuk je najintenzivnije. Time se preferiraju kratke udaljenosti između sonotrode i ultrazvukom materijala. Kad mali volumen tekućine je izložen, udaljenost od sonotrode može se držati kratko.
Tablica u nastavku prikazuje tipične razine energije / glasnoće za ultrazvukom procesa nakon optimizacije. Od prvog suđenja neće raditi na optimalnoj konfiguraciji, intenzitet ultrazvuka i vremena za 10 do 50 puta u tipične vrijednosti će pokazati da li postoji bilo kakav učinak na ultrazvukom materijal ili ne.

Postupak	energija / volumen	uzorak glasnoće	Vlast	vrijeme
Jednostavan	< 100Ws / ml	10 ml	50W	< 20 sek
Srednji	100Ws / mL do 500Ws / ml	10 ml	50W	20 do 100 sekundi
teško	> 500Ws / ml	10 ml	50W	>100 sek

stol 1 – Tipične vrijednosti nakon sonikacije optimizacije procesa

Stvarni ulazna snaga od pokusnoj se može snimiti preko integriranog snimanje podataka (Uf200 ः t i UP200St), PC-sučelje ili PowerMeter. U kombinaciji sa snimljenim podacima okruženju amplitude i temperature, rezultati svakog pokusa može se vrednovati i može se utvrditi donja linija za energetsku / volumen.
Ako je tijekom testiranja odabrana optimalna konfiguracija, ova konfiguracijska izvedba mogla bi se provjeriti tijekom koraka optimizacije i može se konačno povećati do komercijalne razine. Da bi se olakšala optimizacija, preporučljivo je ispitati granice soniciranja, 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 ograničila sljedeća optimizacija u raspon parametara u kojem se ne opažaju negativni učinci. Za studiju izvedivosti preporučuje se mali laboratorij ili klupu za ograničavanje troškova opreme i uzoraka u takvim ispitivanjima. Općenito, jedinice od 100 do 1.000 wata vrlo dobro služe svrsi studije izvedivosti. (usp. Hielscher, 2005)

Optimizacija

Postignuti rezultati tijekom studija izvedivosti može pokazati vrlo visoku potrošnju energije u vezi malog volumena obrađenog. Ali svrha testa opravdanosti prvenstveno pokazati učinke ultrazvuka na materijalu. Ako se u dogodila izvodljivosti testiranje pozitivne učinke, moraju biti daljnji napori kako bi se optimizirala omjer energija / volumen. To znači da istraži idealnu konfiguraciju ultrazvučnih parametara kako bi se postigla najveći prinos pomoću manje energije moguće kako bi proces ekonomski najviše razumne i učinkovite. Pronaći optimalnu konfiguraciju parametara – stjecanje namjeravan koristi s minimalnim unosom energije – korelacija između najvažnijih parametara amplitude, tlak, temperatura i tekući Pripravak biti istražena. U ovoj drugoj fazi promjena iz serije ultrazvukom u kontinuiranom ultrazvučnoj postava sa staničnom toka reaktor se preporučuje kao važan parametar tlaka ne može utjecati za serije ultrazvučnoj kupelji. Tijekom ultrazvukom u seriji, pritisak je ograničen na tlaku okolnog prostora. Ako se postupak ultrazvukom prolazi tlačnog komoru stanica protoka, tlak može biti povišen (ili smanjiti), koji općenito utječe na ultrazvučni kavitacija drastično. Pomoću protočnom stanicom, korelacija između tlaka i učinkovitosti postupka može se odrediti. Ultrazvučni procesora između 500 vata i 2000 W vlasti su najprikladniji za optimizaciju procesa.

Scale-up za komercijalnu proizvodnju

Ako je pronađena optimalna konfiguracija, dalje scale-up je jednostavna kao i ultrazvučni procesi potpuno izvodljiv na linearnoj skali, To znači, kada se ultrazvuk primjenjuje na identičnu tekuću formulaciju pod istim konfiguracijskim parametrima obrade, potrebna je ista energija po volumenu kako bi se dobio identičan rezultat neovisan o skali obrade. (Hielscher 2005). To omogućava implementaciju optimalne konfiguracije parametara ultrazvuka do veličine proizvodnje u punoj veličini. Gotovo, volumen koji se može ultrazvučno obrađivati ​​je neograničen. Komercijalni ultrazvučni sustavi s do 16000 W po jedinici su dostupni i mogu se ugraditi u klastere. Takve nakupine ultrazvučni procesora mogu se ugraditi paralelno ili serijski. Do klastera tiče instalacije velike snage ultrazvučnog procesora, ukupna snaga je gotovo neograničena, tako da je visok volumen struje može biti obrađen bez problema. Također, ako se zahtijeva privikavanje na ultrazvučni sustav, npr podesiti parametre u modificiranom tekuće formulacije, to se može učiniti uglavnom promjeni sonotrode, pojačivač ili protočnom ćelijom. Linearni skalabilnost, ponovljivost i prilagodljivost ultrazvuka čine ovaj inovativna tehnologija učinkovita i isplativa.

Parametri ultrazvučni obradu

Ultrazvučnu obradu tekućine opisuje brojni parametri. Najvažnije su amplituda, tlak, temperatura, viskoznost i koncentracija. Rezultat procesa, kao što je veličina čestica, za određenu konfiguraciju parametara je funkcija energije po obradenom volumenu. Funkcija se mijenja s promjenama pojedinih parametara. Nadalje, stvarna snaga po površini sonotrode ultrazvučne jedinice ovisi o parametrima. Izlazna snaga po površini sonotrode je intenzitet površine (I). Intenzitet površine ovisi o amplitudi (A), tlaku (p), volumenu reaktora (VR), temperaturi (T), viskoznosti (η) i drugima.

Utjecaj generirana kavitacije ovisi o intenzitetu površine. Na isti način, rezultat procesa u korelaciji. Ukupna izlazna snaga ultrazvučnog uređaja je proizvod intenziteta površine (I) i površine (S):

P [W] ja [W / Mm²] * a[Mm²]

amplituda

Amplituda osciliranja opisuje način (na primjer 50 um) sonoroda površina putuje u određenom vremenu (primjerice 1 / 20,000s pri 20 kHz). Što je veća amplituda, veća je stopa po kojoj se tlak se spušta i povećava na svaki udarac. Osim toga, volumen pomicanje svakog udara povećava što rezultira u većem volumenu kavitacija (veličina mjehurića i / ili broj). Kada se primjenjuje na disperzija, više amplitude pokazuju višu destruktivnost u krute čestice. Tablica 1 prikazuje opće vrijednosti za neke ultrazvučni procese.

pritisak

Točka vrenja tekućine ovisi o tlaku. Što je veći tlak, to je vruća točka vrenja, a obrnuto. Povišeni tlak dopušta kavitaciju na temperaturama blizu ili iznad vrelišta. Također povećava intenzitet implozije, koji se odnosi na razliku između statičkog pritiska i tlaka pare unutar mjehura (usp. Vercet i sur., 1999). Budući da se ultrazvučna snaga i intenzitet brzo mijenjaju s promjenama u tlaku, poželjna je konstantna tlačna pumpa. Kada se tekućina dovodi u ćeliju protoka, crpka bi trebala biti sposobna za rukovanje specifičnim strujanjem tekućine pri prikladnim tlakovima. Membranski ili membranski pumpe; crijeva s fleksibilnom cijevi, crijeva ili stiskanje; peristaltičke pumpe; ili klipom ili klipom pumpa će stvoriti izmjenične fluktuacije tlaka. Poželjne su centrifugalne pumpe, crpke za zupčanike, spiralne pumpe i progresivne pumpe za šupljine koje opskrbljuju tekućinu koja se podvrgava ultrazvučnoj stabilnosti. (Hielscher 2005)

temperatura

Obrađivanjem tekućinu, snaga se prenosi u medij. Kao ultrazvučno generiran oscilacija uzrokuje trenje, i turbulencija se sonificirana tekućine - u skladu sa zakonom termodinamike – će zagrijati. Povišene temperature obrađene medij može biti destruktivno na materijal i smanjiti učinkovitost ultrazvučne kavitacije. Inovativni ultrazvučni tekuće stanice su opremljene rashladnim plaštem (vidi sliku). Do toga je točna kontrola nad temperaturi materijala u vrijeme ultrazvučne obrade je dano. Za čašice sonication manje količine ledenoj kupelji topline se preporučuje.

Viskoznost i koncentracija

Ultrazvučni mljevenje i raspršivanje su tekući procesi. Čestice moraju biti u suspenziji, na primjer u vodi, ulju, otapala ili smole. Korištenjem ultrazvučnih protočni sustavi, postaje moguće obraditi ultrazvukom vrlo viskozna, pašteta materijala.
Velike snage ultrazvučni procesor se može izvoditi na relativno visokim koncentracijama krutine. Visoka koncentracija daje učinkovitost ultrazvučnu obradu, kao što je ultrazvučno mljevenje učinak uzrokovan sudara između čestica. Ispitivanja su pokazala da je brzina loma silicija neovisna o krutom koncentraciji do 50% po masi. Obrada glavnih smjesa s omjerom visoko koncentriranog materijala u je uobičajeni postupak proizvodnje pomoću ultrazvuka.

Snaga i intenziteta u odnosu na energiju

Intenzitet površina i ukupna snaga ne samo opisati intenzitet obrade. Se sonificirana volumen uzorka i vrijeme izlaganja na određenom intenzitetu treba uzeti u obzir da se opiše proces zvukom u kako bi ga skalabilan i ponovljivi. Za određeni oblik parametar je rezultat procesa, npr Veličina čestica ili kemijska pretvorba, ovisit će o energije po volumenu (E / V).

rezultat = F (E /V )

Ako je energija (E) je produkt snage (P) i vremenu izlaganja (t).

E[ws] = P[W] *T[a]

Promjene u konfiguraciji parametar mijenja funkciju rezultata. To zauzvrat će varirati količinu energije (E) se zahtijeva za dati uzorak vrijednost (V) da se dobije određenu vrijednost rezultata. Iz tog razloga nije dovoljno za implementaciju određenu snagu ultrazvuka u procesu kako bi dobili rezultat. Sofisticiraniji pristup je potrebno utvrditi potrebnu snagu i konfiguraciju parametara na kojima je vlast treba staviti u proces materijala. (Hielscher 2005)

Ultrazvučno Assisted Proizvodnja bioetanola

Već je poznato da je ultrazvuk poboljšava proizvodnju bioetanola. Preporučljivo je zgusnuti tekućinu biomase u visoko viskozne kaše koja je još Tekuća. Ultrazvučno reaktori mogu nositi prilično visoke čvrste koncentracije, tako da se proces ultrazvukom se može pokrenuti najučinkovitiji. Više materijal sadržan u mulj, gdje je manje tekući nosač, koji se neće dobiti iz postupka ultrazvučnoj će se liječiti. Kao što je unos energije u tekućini uzrokuje zagrijavanje tekućine zakonom termodinamike, to znači da je ultrazvučna energija se primjenjuje na materijalu, koliko je to moguće. Takvom dizajnu učinkovitog postupka proizvodi rasipan zagrijavanje od viška tekućine nosač se izbjegava.
Ultrazvuk pomaže Izvlačenje intracelularne materijala i čini ga time na raspolaganju za enzimske fermentacije. Blaga ultrazvuk tretmana može poboljšati enzimsku aktivnost, ali za ekstrakciju biomase će biti potreban intenzivniji ultrazvuk. Dakle, enzimi treba dodati kašu biomase nakon ultrazvukom kao intenzivna ultrazvuka deaktivira enzime, koji je ne željeni učinak.

Trenutni rezultati postignuti znanstvenim istraživanjima:

Studije Yoswathana et al. (2010), u svezi s proizvodnjom bioetanola od riže slame su pokazali da kombinacija kiseline predobradu i ultrazvučnog tretmana pred enzimatski dovesti do povećanog prinosa šećera do 44% (na riži slame osnovi). To pokazuje učinkovitost kombinacije fizičke i kemijske predobrade prije enzimatskom hidrolizom lignocelluloses materijala na šećer.

Grafikon 2 prikazuje pozitivne učinke ultrazvučnog zračenja tijekom proizvodnje bioetanola od riže slame grafički. (Ugljen je korišten za detoksifikaciju prethodno obrađenog uzorke kiselinom / enzima predtretmana i ultrazvučnog prethodne obrade).

U drugoj nedavnoj studiji, utjecaj ultrazvuka na ekstracelularnu i unutarstaničnih razina β-galaktozidaze enzima je pregledao. Sulaiman et al. (2011), može poboljšati produktivnost proizvodnje bioetanola uglavnom pomoću ultrazvuka na temperaturi poticanju rasta kvasca od Kluyveromyces marxianus (ATCC 46537). Autori papira nastavlja da povremeno ultrazvukom uz napajanje ultrazvuka (20 kHz) na uvjete ciklusa ≤20% stimulirane proizvodnje biomase, metabolizam laktozu i proizvodnju etanola K. marxianus pri relativno visokoj ultrazvučnoj intenziteta 11.8Wcm^-2, Pod najboljim uvjetima, sonikaciju poboljšana konačna koncentracija etanola po gotovo 3,5 puta u odnosu na kontrolu. Ovo odgovara 3.5 puta poboljšanje produktivnosti etanola, ali je potrebno 952W dodatnog ulaza snage po kubičnom metru smjese kroz sonikacije. Ovaj dodatni zahtjev za energiju je svakako unutar prihvatljivih operativnim normama za bioreaktora, a za visoke vrijednosti proizvoda, može se lako kompenzirati povećanom produktivnošću.

Zaključak: Koristi od minimalno-Assisted fermentacije

Ultrazvučni tretman je pokazala kao učinkovita i inovativna tehnika za poboljšanje prinosa bioetanola. Ponajprije, ultrazvuk se koristi za izdvajanje unutarstanični materijal iz biomase, kao što su kukuruz, soja, slama, ligno-celulozni materijal ili biljnog otpadnog materijala.

• Povećanje prinosa bioetanol
• Disinteration / Cell distruction i oslobađanje unutar staničnog materijala
• Poboljšana anaerobna razgradnja
• Aktivacija enzima blagim soniciranja
• Poboljšanje učinkovitosti postupka visoke koncentracije kaše

Jednostavan ispitivanje, ponovljiva scale-up i jednostavna instalacija (također u već postojeće proizvodne tokove) čini ultrazvuk profitabilan i učinkovita tehnologija. Pouzdani industrijski ultrazvučni procesora za komercijalnu obradu dostupni i čine ga moguće obraditi ultrazvukom gotovo neograničen tekućih svezaka.