Ուլտրաձայնի օժանդակությամբ խմորում՝ կենսաէթանոլի արտադրության համար
Ուլտրաձայնի օժանդակությամբ խմորումը կարող է բարելավել կենսաէթանոլի արտադրությունը՝ նպաստելով բարդ ածխաջրերի քայքայմանը մինչև ավելի պարզ շաքարներ, որոնք այդպիսով ավելի մատչելի են դառնում խմորասնկերի համար՝ էթանոլի փոխակերպվելու նպատակով։ Միաժամանակ ուլտրաձայնային մշակումը նաև բարելավում է խմորասնկերի բջջապատի թափանցելիության արդյունավետությունը՝ ապահովելով էթանոլի ավելի արագ արտազատում և ընդհանուր արտադրության աճ։ Այդպիսով, ուլտրաձայնի օժանդակությամբ կենսաէթանոլային խմորումն ապահովում է փոխակերպման ավելի բարձր աստիճան և ավելի մեծ ելք։
Խմորում
Խմորումը կարող է լինել աերոբ (= օքսիդատիվ խմորում) կամ անաերոբ գործընթաց, որը կիրառվում է կենսատեխնոլոգիայում՝ օրգանական նյութը բակտերիաների, սնկերի կամ այլ կենսաբանական բջջային կուլտուրաների կամ ֆերմենտների միջոցով փոխակերպելու համար։ Խմորման ընթացքում էներգիա է ստացվում օրգանական միացությունների, օրինակ՝ ածխաջրերի օքսիդացումից։
Շաքարը խմորման ամենատարածված սուբստրատն է, որի խմորման արդյունքում ստացվում են այնպիսի արտադրանքներ, ինչպիսիք են կաթնաթթուն, լակտոզը, էթանոլը և ջրածինը։ Սպիրտային խմորման դեպքում էթանոլը՝ հատկապես որպես վառելիք, ինչպես նաև ալկոհոլային խմիչքների համար օգտագործելու նպատակով, արտադրվում է խմորման միջոցով։ Երբ խմորասնկերի որոշ շտամներ, օրինակ՝ Saccharomyces cerevisiae , նյութափոխանակում են շաքարը, խմորասնկերի բջիջները ելանյութը փոխակերպում են էթանոլի և ածխածնի երկօքսիդի։
Ստորև բերված քիմիական հավասարումներն ամփոփում են փոխակերպումը․
Քիմիական հավասարումներն ամփոփում են կենսաէթանոլի փոխակերպումը։
Եթե ելանյութը օսլա է, օրինակ՝ եգիպտացորենից ստացված, ապա նախ օսլան պետք է փոխակերպվի շաքարի։ Որպես վառելիք օգտագործվող կենսաէթանոլի համար օսլայի փոխակերպումը պահանջում է հիդրոլիզ։ Սովորաբար հիդրոլիզն արագացվում է թթվային կամ ֆերմենտային մշակմամբ կամ երկուսի համակցությամբ։ Խմորումը սովորաբար իրականացվում է մոտ 35–40 °C ջերմաստիճանում։
Խմորման տարբեր գործընթացների ակնարկ․
Սննդամթերք․
- արտադրություն & պահպանում
- կաթնամթերք (կաթնաթթվային խմորում), օրինակ՝ յոգուրտ, թան, կեֆիր
- կաթնաթթվային խմորման ենթարկված բանջարեղեն, օրինակ՝ քիմչի, միսո, նատտո, ցուկեմոնո, թթու կաղամբ
- բուրավետ նյութերի առաջացում, օրինակ՝ սոյայի սոուս
- դաբաղանյութերի քայքայում, օրինակ՝ թեյ, կակաո, սուրճ, ծխախոտ
- ալկոհոլային խմիչքներ, օրինակ՝ գարեջուր, գինի, վիսկի
Դեղեր․
- բժշկական միացությունների արտադրություն, օրինակ՝ ինսուլին, հիալուրոնաթթու
Կենսագազ/ Էթանոլ․
- կենսագազի/ կենսաէթանոլի արտադրության բարելավում
Տարբեր գիտահետազոտական աշխատանքներ և սեղանադիր ու փորձնական մասշտաբով կատարված փորձարկումներ ցույց են տվել, որ ուլտրաձայնը բարելավում է խմորման գործընթացը՝ ֆերմենտային խմորման համար ավելի մեծ քանակությամբ կենսազանգված հասանելի դարձնելով։ Հաջորդ բաժնում մանրամասն կներկայացվեն հեղուկում ուլտրաձայնի ազդեցությունները։
Կենսաէթանոլ կարելի է արտադրել արևածաղկի ցողուններից, եգիպտացորենից, շաքարեղեգից և այլն։
Հեղուկների ուլտրաձայնային մշակման ազդեցությունները
Բարձր հզորության/ ցածր հաճախականության ուլտրաձայնի միջոցով կարելի է ստանալ մեծ ամպլիտուդներ։ Այդպիսով, բարձր հզորության/ ցածր հաճախականության ուլտրաձայնը կարող է օգտագործվել հեղուկների մշակման համար, օրինակ՝ խառնման, էմուլգացման, դիսպերգացման և ապաագլոմերացման կամ մանրացման նպատակով։
Հեղուկները բարձր ինտենսիվությամբ ուլտրաձայնային մշակման ենթարկելիս հեղուկ միջավայրում տարածվող ձայնային ալիքներն առաջացնում են բարձր ճնշման (սեղմման) և ցածր ճնշման (նոսրացման) հերթագայող ցիկլեր, որոնց կրկնման արագությունը կախված է հաճախականությունից։ Ցածր ճնշման ցիկլի ընթացքում բարձր ինտենսիվության ուլտրաձայնային ալիքները հեղուկում առաջացնում են փոքր վակուումային պղպջակներ կամ խոռոչներ։ Երբ պղպջակները հասնում են այնպիսի ծավալի, որի դեպքում այլևս չեն կարող էներգիա կլանել, բարձր ճնշման ցիկլի ընթացքում դրանք կտրուկ փլուզվում են։ Այս երևույթը կոչվում է կավիտացիա։ Կավիտացիա, այսինքն՝ «հեղուկում պղպջակների առաջացում, աճ և դեպի ներս փլուզում։ Կավիտացիոն փլուզումն առաջացնում է ինտենսիվ տեղային տաքացում (~5000 K), բարձր ճնշումներ (~1000 atm) և տաքացման ու սառեցման հսկայական արագություններ (>109 K/sec)» և հեղուկի շիթային հոսքեր (~400 km/h)»։ (Suslick 1998)
Էթանոլի կառուցվածքային բանաձևը
Ուլտրաձայնային փոխակերպիչի դեպքում տատանման ամպլիտուդը նկարագրում է արագացման ինտենսիվությունը։ Ավելի մեծ ամպլիտուդներն ապահովում են կավիտացիայի ավելի արդյունավետ առաջացում։ Ինտենսիվությունից բացի, հեղուկը պետք է արագացվի այնպես, որ տուրբուլենտության, շփման և ալիքների առաջացման հետևանքով կորուստները լինեն նվազագույն։ Դրա համար օպտիմալ է շարժման միակողմանի ուղղությունը։ Ուլտրաձայնային մշակման գործընթացի ինտենսիվությունն ու պարամետրերը փոխելով՝ ուլտրաձայնի ազդեցությունը կարող է լինել շատ կոշտ կամ շատ մեղմ։ Սա ուլտրաձայնը դարձնում է խիստ բազմակողմանի գործիք՝ տարբեր կիրառությունների համար։
Նկար 1 – ուլտրաձայնային լաբորատոր սարք UP100H (100 վատտ)՝ իրագործելիության փորձարկումների համար
Հզորության գերազանց փոխակերպումից բացի, ուլտրաձայնային մշակումն առաջարկում է ամենակարևոր պարամետրերի՝ ամպլիտուդի, ճնշման, ջերմաստիճանի, մածուցիկության և կոնցենտրացիայի նկատմամբ լիակատար վերահսկողության մեծ առավելությունը։ Սա հնարավորություն է տալիս կարգավորել այս բոլոր պարամետրերը՝ յուրաքանչյուր կոնկրետ նյութի համար մշակման իդեալական պարամետրերը գտնելու նպատակով։ Արդյունքում ապահովվում են ավելի բարձր արդյունավետություն և ռեսուրսների օգտագործման օպտիմալացված արդյունավետություն։
Ուլտրաձայնը՝ խմորման գործընթացների բարելավման համար՝ բացատրված բիոէթանոլի արտադրության օրինակով
Բիոէթանոլը կենսազանգվածի կամ թափոնների կենսաքայքայվող նյութի՝ անաէրոբ կամ աէրոբ բակտերիաներով քայքայման արդյունք է։ Ստացված էթանոլը հիմնականում օգտագործվում է որպես կենսավառելիք։ Սա բիոէթանոլը դարձնում է հանածո վառելիքների, օրինակ՝ բնական գազի, վերականգնվող և էկոլոգիապես մաքուր այլընտրանք։
Կենսազանգվածից էթանոլ արտադրելու համար որպես հումք կարող են օգտագործվել շաքարը, օսլան և լիգնոցելյուլոզային նյութը։ Արդյունաբերական մասշտաբի արտադրության համար ներկայումս գերակշռում են շաքարն ու օսլան, քանի որ դրանք տնտեսապես շահավետ են։
Այն, թե ինչպես է ուլտրաձայնը բարելավում կոնկրետ հումքով և տրված պայմաններում պատվիրատուին հարմարեցված գործընթացը, կարելի է շատ պարզ ստուգել իրագործելիության փորձարկումներով։ Առաջին քայլում հումքի սուսպենզիայի փոքր քանակի մշակումը ուլտրաձայնային լաբորատոր սարքով ցույց կտա՝ արդյոք ուլտրաձայնն ազդում է հումքի վրա։
Իրագործելիության փորձարկում
Փորձարկման առաջին փուլում նպատակահարմար է հեղուկի փոքր ծավալի մեջ ներմուծել համեմատաբար մեծ քանակությամբ ուլտրաձայնային էներգիա, քանի որ այդպիսով մեծանում է որևէ արդյունք ստանալու հնարավորությունը բացահայտելու հավանականությունը։ Նմուշի փոքր ծավալը նաև կրճատում է լաբորատոր սարքի օգտագործման ժամանակը և նվազեցնում առաջին փորձարկումների ծախսերը։
Ուլտրաձայնային ալիքները սոնոտրոդի մակերևույթից հաղորդվում են հեղուկին։ Սոնոտրոդի մակերևույթի տակ ուլտրաձայնի ինտենսիվությունն ամենաբարձրն է։ Ուստի նախընտրելի է, որ սոնոտրոդի և ուլտրաձայնով մշակվող նյութի միջև հեռավորությունը փոքր լինի։ Հեղուկի փոքր ծավալ մշակելիս հնարավոր է սոնոտրոդից հեռավորությունը փոքր պահել։
Ստորև բերված աղյուսակը ցույց է տալիս ուլտրաձայնային մշակման գործընթացների օպտիմալացումից հետո էներգիա/ծավալ հարաբերության բնորոշ մակարդակները։ Քանի որ առաջին փորձերը չեն իրականացվելու օպտիմալ կարգավորումներով, բնորոշ արժեքից 10–50 անգամ մեծ ուլտրաձայնային մշակման ինտենսիվությունն ու տևողությունը ցույց կտան՝ մշակվող նյութի վրա որևէ ազդեցություն կա՞, թե՞ ոչ։
|
Գործընթաց |
Էներգիա/ Ծավալ |
Նմուշի ծավալ |
Հզորություն |
Ժամանակ |
| Պարզ |
< 100Ws/mL |
10mL |
50W |
< 20 sec |
| Միջին |
100Ws/mL–500Ws/mL |
10mL |
50W |
20–100 sec |
| Ինտենսիվ |
> 500Ws/mL |
10mL |
50W |
>100 sec |
Աղյուսակ 1 – Ուլտրաձայնային մշակման բնորոշ արժեքները գործընթացի օպտիմալացումից հետո
Փորձարկումների ընթացքում փաստացի ներմուծվող հզորությունը կարելի է գրանցել տվյալների գրանցման ներկառուցված համակարգի (UP200Ht և UP200St), համակարգչային միջերեսի կամ հզորաչափի միջոցով։ Ամպլիտուդի կարգավորման և ջերմաստիճանի գրանցված տվյալների հետ համատեղ կարելի է գնահատել յուրաքանչյուր փորձի արդյունքները և սահմանել էներգիա/ծավալ հարաբերության ելակետային արժեք։
Եթե փորձարկումների ընթացքում ընտրվել են օպտիմալ կարգավորումներ, այդ կարգավորումներով աշխատանքի արդյունավետությունը կարող է ստուգվել օպտիմալացման փուլում, իսկ վերջում գործընթացը կարող է մասշտաբավորվել մինչև առևտրային մակարդակ։ Օպտիմալացումը հեշտացնելու համար խիստ խորհուրդ է տրվում նաև ուսումնասիրել ուլտրաձայնային մշակման սահմանային արժեքները, օրինակ՝ ջերմաստիճանը, ամպլիտուդը կամ էներգիա/ծավալ հարաբերությունը՝ կոնկրետ բաղադրակազմերի համար։ Քանի որ ուլտրաձայնը կարող է բացասական ազդեցություն ունենալ բջիջների, քիմիական նյութերի կամ մասնիկների վրա, անհրաժեշտ է ուսումնասիրել յուրաքանչյուր պարամետրի կրիտիկական մակարդակները, որպեսզի հետագա օպտիմալացումը սահմանափակվի այն միջակայքով, որտեղ բացասական ազդեցություններ չեն դիտվում։ Իրագործելիության ուսումնասիրության համար խորհուրդ են տրվում փոքր լաբորատոր կամ սեղանի սարքեր՝ նման փորձարկումներում սարքավորումների և նմուշների ծախսերը սահմանափակելու նպատակով։ Ընդհանուր առմամբ, 100–1 000 վատտ հզորությամբ սարքերը շատ լավ են ծառայում իրագործելիության ուսումնասիրության նպատակներին։ (հմմտ. Hielscher 2005)
Աղյուսակ 1 – Ուլտրաձայնային մշակման բնորոշ արժեքները գործընթացի օպտիմալացումից հետո
Օպտիմալացում
Իրագործելիության ուսումնասիրությունների ընթացքում ստացված արդյունքները կարող են ցույց տալ էներգիայի բավական մեծ սպառում՝ մշակված փոքր ծավալի համեմատ։ Սակայն իրագործելիության փորձարկման նպատակը նախևառաջ նյութի վրա ուլտրաձայնի ազդեցությունները ցույց տալն է։ Եթե իրագործելիության փորձարկման ընթացքում դրական ազդեցություններ են դիտվել, անհրաժեշտ է հետագա ջանքեր գործադրել՝ էներգիա/ծավալ հարաբերությունն օպտիմալացնելու համար։ Սա նշանակում է ուսումնասիրել ուլտրաձայնային պարամետրերի իդեալական կարգավորումները՝ հնարավոր նվազագույն էներգիայով ամենաբարձր ելքն ապահովելու համար, որպեսզի գործընթացը լինի տնտեսապես առավել նպատակահարմար և արդյունավետ։ Պարամետրերի օպտիմալ կարգավորումները գտնելու համար – էներգիայի նվազագույն ներմուծմամբ նախատեսված օգուտները ստանալու նպատակով – անհրաժեշտ է ուսումնասիրել ամենակարևոր պարամետրերի՝ ամպլիտուդի, ճնշման, ջերմաստիճանի և հեղուկի բաղադրության միջև փոխկապակցվածությունը։ Այս երկրորդ փուլում խորհուրդ է տրվում պարբերական ուլտրաձայնային մշակումից անցնել հոսքային բջջի ռեակտորով շարունակական ուլտրաձայնային մշակման համակարգի, քանի որ պարբերական ուլտրաձայնային մշակման դեպքում հնարավոր չէ փոփոխել ճնշման կարևոր պարամետրը։ Պարբերական ուլտրաձայնային մշակման ընթացքում ճնշումը սահմանափակվում է շրջակա միջավայրի ճնշմամբ։ Եթե ուլտրաձայնային մշակումն իրականացվում է ճնշման տակ աշխատելու համար նախատեսված հոսքային բջջի խցիկում, ճնշումը կարելի է բարձրացնել (կամ իջեցնել), ինչը սովորաբար կտրուկ ազդում է ուլտրաձայնային կավիտացիայի վրա։ Հոսքային բջիջ օգտագործելով՝ կարելի է որոշել ճնշման և գործընթացի արդյունավետության միջև փոխկապակցվածությունը։ Ուլտրաձայնային պրոցեսորները՝ 500 վատտ և 2000 վատտ հզորությունների միջև ընկած միջակայքում, առավել հարմար են գործընթացն օպտիմալացնելու համար։
Նկար 2 – Ուլտրաձայնային գործընթացի օպտիմալացման բլոկային սխեմա
Մասշտաբավորում մինչև առևտրային արտադրություն
Եթե օպտիմալ կարգավորումները գտնված են, մասշտաբի հետագա մեծացումը պարզ է, քանի որ ուլտրաձայնային գործընթացները լիովին վերարտադրելի են գծային մասշտաբավորմամբ։ Սա նշանակում է, որ երբ ուլտրաձայնը կիրառվում է նույն բաղադրությամբ հեղուկի նկատմամբ՝ մշակման պարամետրերի նույն կարգավորումներով, նույն արդյունքը ստանալու համար պահանջվում է ծավալի միավորին բաժին ընկնող նույն էներգիան՝ անկախ մշակման մասշտաբից։ (Hielscher 2005)։ Սա հնարավորություն է տալիս ուլտրաձայնի պարամետրերի օպտիմալ կարգավորումները կիրառել լիամասշտաբ արտադրությունում։ Գործնականում այն ծավալը, որը կարելի է մշակել ուլտրաձայնով, անսահմանափակ է։ Առկա են առևտրային ուլտրաձայնային համակարգեր՝ յուրաքանչյուր սարքի համար մինչև 16 000 վատտ հզորությամբ, որոնք կարող են տեղադրվել խմբերով։ Ուլտրաձայնային պրոցեսորների նման խմբերը կարող են տեղադրվել զուգահեռ կամ հաջորդաբար։ Բարձր հզորության ուլտրաձայնային պրոցեսորների խմբային տեղադրման դեպքում ընդհանուր հզորությունը գրեթե անսահմանափակ է, այնպես որ մեծ ծավալային հոսքերը կարող են մշակվել առանց դժվարության։ Եթե նաև անհրաժեշտ է հարմարեցնել ուլտրաձայնային համակարգը, օրինակ՝ պարամետրերը համապատասխանեցնել հեղուկի փոփոխված բաղադրությանը, դա հիմնականում կարելի է անել՝ փոխելով սոնոտրոդը, տատանումների ուժեղացուցիչը կամ հոսքային բջիջը։ Ուլտրաձայնի գծային մասշտաբավորելիությունը, վերարտադրելիությունը և հարմարեցվող լինելը այս նորարարական տեխնոլոգիան դարձնում են արդյունավետ և տնտեսապես շահավետ։
Նկար 3 – Արդյունաբերական ուլտրաձայնային պրոցեսոր UIP16000 ՝ 16 000 վատտ հզորությամբ
Ուլտրաձայնային մշակման պարամետրերը
Հեղուկների ուլտրաձայնային մշակումը նկարագրվում է մի շարք պարամետրերով։ Ամենակարևորներն են ամպլիտուդը, ճնշումը, ջերմաստիճանը, մածուցիկությունը և կոնցենտրացիան։ Պարամետրերի տվյալ կարգավորումների դեպքում գործընթացի արդյունքը, օրինակ՝ մասնիկների չափը, մշակվող ծավալի միավորին բաժին ընկնող էներգիայի ֆունկցիա է։ Առանձին պարամետրերի փոփոխությունների դեպքում այդ ֆունկցիան փոխվում է։ Բացի այդ, ուլտրաձայնային սարքի սոնոտրոդի մակերեսի միավորին բաժին ընկնող փաստացի ելքային հզորությունը կախված է պարամետրերից։ Սոնոտրոդի մակերեսի միավորին բաժին ընկնող ելքային հզորությունը մակերևութային ինտենսիվությունն է (I)։ Մակերևութային ինտենսիվությունը կախված է ամպլիտուդից (A), ճնշումից (p), ռեակտորի ծավալից (VR), ջերմաստիճանից (T), մածուցիկությունից (η) և այլ պարամետրերից։
Ուլտրաձայնային մշակման կավիտացիոն ազդեցությունը կախված է մակերևութային ինտենսիվությունից, որը նկարագրվում է ամպլիտուդով (A), ճնշմամբ (p), ռեակտորի ծավալով (VR), ջերմաստիճանով (T), մածուցիկությամբ (η) և այլ պարամետրերով։ Գումարման և հանման նշանները ցույց են տալիս տվյալ պարամետրի դրական կամ բացասական ազդեցությունը ուլտրաձայնային մշակման ինտենսիվության վրա։
Առաջացած կավիտացիայի ազդեցությունը կախված է մակերևութային ինտենսիվությունից։ Նույն կերպ դրա հետ փոխկապակցված է նաև գործընթացի արդյունքը։ Ուլտրաձայնային սարքի ընդհանուր ելքային հզորությունը մակերևութային ինտենսիվության (I) և մակերեսի (S) արտադրյալն է՝
P [W] I [W / mm²]* S[mm²]
Ամպլիտուդ
Տատանման ամպլիտուդը նկարագրում է այն ճանապարհը (օրինակ՝ 50 µm), որը սոնոտրոդի մակերևույթն անցնում է տվյալ ժամանակում (օրինակ՝ 1/20 000s՝ 20kHz հաճախականության դեպքում)։ Որքան մեծ է ամպլիտուդը, այնքան մեծ է յուրաքանչյուր շարժման ժամանակ ճնշման նվազման և բարձրացման արագությունը։ Բացի այդ, յուրաքանչյուր շարժման ժամանակ տեղաշարժվող ծավալը մեծանում է՝ հանգեցնելով կավիտացիայի ավելի մեծ ծավալի (պղպջակների չափի և/կամ քանակի մեծացման)։ Դիսպերսիաների մշակման դեպքում ավելի մեծ ամպլիտուդներն ավելի ուժեղ քայքայիչ ազդեցություն են ունենում պինդ մասնիկների վրա։ Աղյուսակ 1-ը ներկայացնում է որոշ ուլտրաձայնային գործընթացների ընդհանուր արժեքները։
Աղյուսակ 2 – Ամպլիտուդների վերաբերյալ ընդհանուր առաջարկություններ
Ճնշում
Հեղուկի եռման ջերմաստիճանը կախված է ճնշումից։ Որքան բարձր է ճնշումը, այնքան բարձր է եռման ջերմաստիճանը, և հակառակը։ Բարձր ճնշումը թույլ է տալիս կավիտացիա առաջացնել եռման ջերմաստիճանին մոտ կամ դրանից բարձր ջերմաստիճաններում։ Այն նաև մեծացնում է պղպջակների ներպայթյունային փլուզման ինտենսիվությունը, որը կապված է ստատիկ ճնշման և պղպջակի ներսում գոլորշու ճնշման տարբերության հետ (տե՛ս Vercet et al. 1999)։ Քանի որ ուլտրաձայնային հզորությունն ու ինտենսիվությունը ճնշման փոփոխությունների հետ արագ փոխվում են, նախընտրելի է հաստատուն ճնշմամբ պոմպը։ Հոսքային բջիջ հեղուկ մատակարարելիս պոմպը պետք է կարողանա ապահովել տվյալ հեղուկի հոսքը համապատասխան ճնշումների պայմաններում։ Դիաֆրագմային կամ թաղանթային պոմպերը, ճկուն խողովակով, ճկափողով կամ սեղմող պոմպերը, պերիստալտիկ պոմպերը կամ մխոցային կամ պլունժերային պոմպերը կառաջացնեն ճնշման հերթագայող տատանումներ։ Նախընտրելի են կենտրոնախույս, ատամնանիվային, պարուրաձև և պրոգրեսիվ խոռոչով պոմպերը, որոնք ուլտրաձայնով մշակվելիք հեղուկը մատակարարում են մշտապես կայուն ճնշմամբ։ (Hielscher 2005)
Ջերմաստիճան
Հեղուկն ուլտրաձայնով մշակելիս հզորությունը փոխանցվում է միջավայրին։ Քանի որ ուլտրաձայնով առաջացած տատանումները ստեղծում են տուրբուլենտություն և շփում, ուլտրաձայնով մշակվող հեղուկը, ջերմադինամիկայի օրենքին համապատասխան, տաքանում է։ Մշակվող միջավայրի բարձր ջերմաստիճանները կարող են քայքայիչ ազդեցություն ունենալ նյութի վրա և նվազեցնել ուլտրաձայնային կավիտացիայի արդյունավետությունը։ Նորարարական ուլտրաձայնային հոսքային բջիջները հագեցած են հովացման պատյանով (տե՛ս նկարը)։ Դրանով ապահովվում է նյութի ջերմաստիճանի ճշգրիտ վերահսկումը ուլտրաձայնային մշակման ընթացքում։ Փոքր ծավալները լաբորատոր բաժակում ուլտրաձայնով մշակելիս ջերմությունը հեռացնելու համար խորհուրդ է տրվում սառցային բաղնիք օգտագործել։
Նկար 3 – Ուլտրաձայնային փոխակերպիչ UIP1000hd (1000 վատտ)՝ հովացման պատյանով հագեցած հոսքային բջջով – տիպային սարքավորում օպտիմալացման փուլերի կամ փոքրածավալ արտադրության համար
Մածուցիկություն և կոնցենտրացիա
Ուլտրաձայնային աղացումը և դիսպերսացումը հեղուկ միջավայրում ընթացող գործընթացներ են։ Մասնիկները պետք է լինեն կախույթի մեջ, օրինակ՝ ջրում, յուղում, լուծիչներում կամ խեժերում։ Ուլտրաձայնային հոսքային համակարգերի կիրառմամբ հնարավոր է դառնում ուլտրաձայնով մշակել շատ մածուցիկ, մածուկանման նյութեր։
Բարձր հզորության ուլտրաձայնային պրոցեսորը կարող է աշխատել պինդ նյութերի բավական բարձր կոնցենտրացիաների պայմաններում։ Բարձր կոնցենտրացիան ապահովում է ուլտրաձայնային մշակման արդյունավետությունը, քանի որ ուլտրաձայնային աղացման ազդեցությունը պայմանավորված է մասնիկների միջև բախումներով։ Հետազոտությունները ցույց են տվել, որ սիլիցիումի երկօքսիդի մասնատման արագությունը կախված չէ պինդ նյութի կոնցենտրացիայից՝ մինչև 50% զանգվածային բաժնի դեպքում։ Նյութի բարձր կոնցենտրացիայով մայր խառնուրդների մշակումը ուլտրաձայնի կիրառմամբ տարածված արտադրական ընթացակարգ է։
Հզորությունն ու ինտենսիվությունը՝ էներգիայի համեմատությամբ
Մակերևութային ինտենսիվությունը և ընդհանուր հզորությունը նկարագրում են միայն մշակման ինտենսիվությունը։ Ուլտրաձայնային մշակման գործընթացը նկարագրելիս պետք է հաշվի առնել ուլտրաձայնով մշակվող նմուշի ծավալը և տվյալ ինտենսիվությամբ ազդեցության տևողությունը, որպեսզի հնարավոր լինի մեծացնել գործընթացի մասշտաբը և վերարտադրել այն։ Պարամետրերի տվյալ համակցության դեպքում գործընթացի արդյունքը, օրինակ՝ մասնիկների չափը կամ քիմիական փոխարկումը, կախված կլինի միավոր ծավալին բաժին ընկնող էներգիայից (E/V)։
Արդյունք = f (E /V )
Այստեղ էներգիան (E) ելքային հզորության (P) և ազդեցության տևողության (t) արտադրյալն է։
E[Ws] = P[W]*t[s]
Պարամետրերի համակցության փոփոխությունները կփոխեն արդյունքը նկարագրող ֆունկցիան։ Սա, իր հերթին, կփոխի էներգիայի այն քանակը (E), որն անհրաժեշտ է նմուշի տվյալ արժեքի (V) համար՝ արդյունքի որոշակի արժեք ստանալու նպատակով։ Այդ պատճառով արդյունք ստանալու համար բավարար չէ գործընթացում որոշակի հզորությամբ ուլտրաձայն կիրառելը։ Անհրաժեշտ է ավելի խորացված մոտեցում՝ որոշելու պահանջվող հզորությունը և պարամետրերի այն համակցությունը, որի պայմաններում այդ հզորությունը պետք է հաղորդվի մշակվող նյութին։ (Hielscher 2005)
Ուլտրաձայնի օժանդակությամբ բիոէթանոլի արտադրություն
Արդեն հայտնի է, որ ուլտրաձայնը բարելավում է կենսաէթանոլի արտադրությունը։ Խորհուրդ է տրվում հեղուկը կենսազանգվածով խտացնել՝ ստանալով բարձր մածուցիկությամբ կախույթ, որը դեռ հնարավոր է պոմպով մղել։ Ուլտրաձայնային ռեակտորները կարող են մշակել պինդ նյութերի բավականին բարձր կոնցենտրացիաներով միջավայրեր, որպեսզի ուլտրաձայնային մշակման գործընթացն իրականացվի առավել արդյունավետ։ Որքան շատ նյութ է պարունակվում կախույթում, այնքան քիչ կրող հեղուկ է մշակվում, որը չի օգտվում ուլտրաձայնային մշակման գործընթացից։ Քանի որ թերմոդինամիկայի օրենքի համաձայն՝ հեղուկի մեջ էներգիայի ներմուծումն առաջացնում է հեղուկի տաքացում, սա նշանակում է, որ ուլտրաձայնային էներգիան հնարավորինս կիրառվում է նպատակային նյութի նկատմամբ։ Գործընթացի այսպիսի արդյունավետ նախագծմամբ կանխվում է ավելցուկային կրող հեղուկի անտեղի տաքացումը։
Ուլտրաձայնը նպաստում է ներբջջային նյութի արդյունահանմանը և դրանով այն հասանելի է դարձնում ֆերմենտային խմորման համար։ Մեղմ ուլտրաձայնային մշակումը կարող է բարձրացնել ֆերմենտային ակտիվությունը, սակայն կենսազանգվածի արդյունահանման համար կպահանջվի ավելի ինտենսիվ ուլտրաձայն։ Հետևաբար, ֆերմենտները պետք է ավելացնել կենսազանգվածի կախույթին ուլտրաձայնային մշակումից հետո, քանի որ ինտենսիվ ուլտրաձայնն ապաակտիվացնում է ֆերմենտները, ինչը ցանկալի ազդեցություն չէ։
Գիտական հետազոտություններով մինչ այժմ ստացված արդյունքները.
Բրնձի ծղոտից կենսաէթանոլի արտադրությանը վերաբերող՝ Yoswathana և համահեղինակների (2010) ուսումնասիրությունները ցույց են տվել, որ ֆերմենտային մշակումից առաջ թթվային նախամշակման և ուլտրաձայնի համակցումը հանգեցրել է շաքարի ելքի բարձրացման՝ մինչև 44% (բրնձի ծղոտի հաշվով)։ Սա ցույց է տալիս ֆիզիկական և քիմիական նախամշակումների համակցման արդյունավետությունը՝ նախքան լիգնոցելյուլոզային նյութի ֆերմենտային հիդրոլիզը մինչև շաքար։
Գծապատկեր 2-ը գրաֆիկորեն ներկայացնում է ուլտրաձայնային ճառագայթման դրական ազդեցությունները բրնձի ծղոտից կենսաէթանոլի արտադրության ընթացքում։ (Փայտածուխ է օգտագործվել թթվային/ֆերմենտային նախամշակումից և ուլտրաձայնային նախամշակումից ստացված նմուշների թունազերծման համար։)
Գծապատկեր 2 – Էթանոլի ելքի բարձրացումը ուլտրաձայնի միջոցով խմորման ընթացքում (Yoswathana և համահեղինակներ, 2010)
Մեկ այլ վերջին ուսումնասիրությունում հետազոտվել է ուլտրաձայնային մշակման ազդեցությունը β-գալակտոզիդազ ֆերմենտի արտաբջջային և ներբջջային մակարդակների վրա։ Sulaiman և համահեղինակները (2011) կարողացել են էապես բարձրացնել կենսաէթանոլի արտադրության արտադրողականությունը՝ կիրառելով ուլտրաձայն վերահսկվող ջերմաստիճանում և խթանելով Kluyveromyces marxianus (ATCC 46537) խմորասնկի աճը։ Հոդվածի հեղինակները եզրակացնում են, որ հզոր ուլտրաձայնով (20 kHz) ընդհատվող մշակումը՝ ≤20% աշխատանքային ցիկլերով, խթանել է K. marxianus-ի կենսազանգվածի արտադրությունը, լակտոզի նյութափոխանակությունը և էթանոլի արտադրությունը՝ ուլտրաձայնային մշակման համեմատաբար բարձր ինտենսիվության դեպքում՝ 11,8Wcm−2. Լավագույն պայմաններում ուլտրաձայնային մշակումը վերջնական էթանոլի կոնցենտրացիան բարձրացրել է գրեթե 3,5 անգամ՝ համեմատած ստուգիչ տարբերակի հետ։ Սա համապատասխանել է էթանոլի արտադրողականության 3,5 անգամ բարձրացմանը, սակայն ուլտրաձայնային մշակման միջոցով պահանջել է լրացուցիչ 952W ներմուծվող հզորություն՝ սննդամիջավայրի յուրաքանչյուր խորանարդ մետրի հաշվով։ Էներգիայի այս լրացուցիչ պահանջը միանշանակ եղել է կենսառեակտորների շահագործման ընդունելի նորմերի սահմաններում և բարձրարժեք արտադրանքների դեպքում կարող էր հեշտությամբ փոխհատուցվել արտադրողականության բարձրացմամբ։
Եզրակացություն. ուլտրաձայնով օժանդակվող խմորման առավելությունները
Ապացուցվել է, որ ուլտրաձայնային մշակումը կենսաէթանոլի ելքը բարձրացնելու արդյունավետ և նորարարական մեթոդ է։ Ուլտրաձայնը հիմնականում օգտագործվում է ներբջջային նյութը կենսազանգվածից արդյունահանելու համար, օրինակ՝ եգիպտացորենից, սոյայի հատիկներից, ծղոտից, լիգնոցելյուլոզային նյութից կամ բուսական թափոններից։
- Կենսաէթանոլի ելքի բարձրացում
- Քայքայում/բջիջների քայքայում և ներբջջային նյութի ազատում
- Անաէրոբ քայքայման բարելավում
- Ֆերմենտների ակտիվացում մեղմ ուլտրաձայնային մշակմամբ
- Գործընթացի արդյունավետության բարձրացում բարձր կոնցենտրացիայով կախույթների միջոցով
Պարզ փորձարկումը, վերարտադրելի մասշտաբավորումը և հեշտ տեղադրումը (նաև արդեն գոյություն ունեցող արտադրական հոսքերում) ուլտրաձայնային տեխնոլոգիան դարձնում են շահավետ և արդյունավետ։ Առևտրային մասշտաբի մշակման համար հասանելի են հուսալի արդյունաբերական ուլտրաձայնային պրոցեսորներ, որոնք հնարավորություն են տալիս ուլտրաձայնով մշակել գործնականում անսահմանափակ ծավալների հեղուկներ։
Նկար 4 – Համակարգ՝ 1000W ուլտրաձայնային պրոցեսորով՝ UIP1000hd, հոսքային բջջով, տարողությամբ և պոմպով
Կապվե՛ք մեզ հետ։ / Հարցրե՛ք մեզ։
Գրականություն/Հղումներ
- Luft, L., Confortin, T.C., Todero, I. և այլք (2019): Ուլտրաձայնային տեխնոլոգիայի կիրառումը գարեջրագործական քուսպի ֆերմենտային հիդրոլիզն ուժեղացնելու համար և դրա ներուժը խմորվող շաքարների արտադրության մեջ. Waste Biomass Valor 10, 2019. 2157–2164.
- Velmurugan, R. և Incharoensakdi, A. (2016): Պատշաճ ուլտրաձայնային մշակումը մեծացնում է էթանոլի արտադրությունը շաքարեղեգի բագասի միաժամանակյա շաքարացման և խմորման ընթացքում։ RSC Advances, 6(94), 2016. 91409–91419.
- Sulaiman, A. Z.; Ajit, A.; Yunus, R. M.; Cisti, Y. (2011): Ուլտրաձայնի օժանդակությամբ խմորումը բարձրացնում է կենսաէթանոլի արտադրողականությունը։ Biochemical Engineering Journal 54/2011. էջ 141–150.
- Nasirpour, N., Ravanshad, O. և Mousavi, S.M. (2023): Միկրոջրիմուռների հիդրոլիզը թթվով և իոնային հեղուկով՝ ուլտրաձայնի օժանդակությամբ, կենսաէթանոլի արտադրության համար։ Biomass Conv. Bioref. 13, 2023. 16001–16014.
- Nikolic, S.; Mojovic, L.; Rakin, M.; Pejin, D.; Pejin, J. (2010): Կենսաէթանոլի արտադրությունը ուլտրաձայնի օժանդակությամբ՝ եգիպտացորենի ալյուրի միաժամանակյա շաքարացման և խմորման միջոցով. Հրատարակված է՝ Food Chemistry 122/2010. էջ 216–222.