Ultrasonikasi Membantu Fermentasi untuk Poduksi Bioethanol

Fermentasi yang dibantu ultrasonik dapat meningkatkan produksi bioetanol dengan mempromosikan pemecahan karbohidrat kompleks menjadi gula yang lebih sederhana, membuatnya lebih mudah tersedia untuk ragi untuk diubah menjadi etanol. Secara bersamaan, sonikasi juga meningkatkan efisiensi permeabilitas dinding sel ragi, memungkinkan pelepasan etanol yang lebih cepat dan peningkatan produksi secara keseluruhan. Dengan demikian, fermentasi bioetanol yang dibantu ultrasonik menghasilkan tingkat konversi yang lebih tinggi dan hasil yang lebih baik.

Fermentasi

Fermentasi dapat berupa fermentasi aerobik (= oksidatif) atau proses anaerobik, yang digunakan untuk aplikasi bioteknologi untuk mengubah bahan organik dengan kultur sel bakteri, jamur atau biologis lainnya atau oleh enzim. Dengan fermentasi, energi diekstraksi dari oksidasi senyawa organik, mis. karbohidrat
Gula adalah substrat paling umum dari proses fermentasi, menghasilkan setelah fermentasi dalam produk seperti asam laktat, laktosa, etanol dan hidrogen. Untuk fermentasi beralkohol, etanol – terutama untuk digunakan sebagai bahan bakar, tetapi juga untuk minuman beralkohol – diproduksi dengan fermentasi. Bila ragi tertentu terasa, seperti Saccharomyces cerevisiae memetabolisme gula, sel ragi mengubah bahan awal menjadi etanol dan karbon dioksida.

Persamaan kimia di bawah ini meringkas konversi:

460/5000 Jika bahan awal adalah pati, mis. Dari jagung, pertama pati harus diubah menjadi gula. Untuk bioetanol yang digunakan sebagai bahan bakar, hidrolisis untuk konversi pati diperlukan. Biasanya, hidrolisis dipercepat dengan pengobatan asam atau enzimatik atau dengan kombinasi keduanya. Biasanya fermentasi dilakukan sekitar 35-40 ° C.
Tinjauan atas berbagai proses fermentasi:

Makanan:

• Produksi & pengawetan
• susu (fermentasi asam laktat), misalnya yoghurt, dadih, kefir
• saurian fermentasi laktat, mis. Kimchi, miso, natto, tsukemono, asinan kubis
• pengembangan aromatis, misalnya kecap
• dekomposisi penyamakan agen, misalnya teh, kakao, kopi, tembakau
• minuman beralkohol, wiski anggur, bir, misalnya

Obat:

• produksi senyawa medis, misalnya insulin, asam hyaluronic

Biogas / etanol:

• perbaikan biogas / bioethanol produksi

Berbagai makalah penelitian dan tes dalam ukuran bench-top dan pilot telah menunjukkan bahwa USG meningkatkan proses fermentasi dengan membuat biomassa lebih tersedia untuk fermentasi enzimatik. Pada bagian berikut, efek USG dalam cairan akan diuraikan.

Efek Ultrasonik pada Pengolahan Cairan

Dengan amplitudo tinggi ultrasound berdaya tinggi / rendah frekuensi dapat dihasilkan. Dengan demikian, ultrasound dengan daya tinggi / frekuensi rendah dapat digunakan untuk pemrosesan cairan seperti pencampuran, pengemulsi, pendispersian dan deaglomerasi, atau penggilingan.
Ketika mensimulasikan cairan dengan intensitas tinggi, gelombang suara yang menyebar ke media cair menghasilkan siklus tekanan tinggi (kompresi) dan tekanan rendah (rarefaction), dengan tingkat tergantung pada frekuensi. Selama siklus tekanan rendah, gelombang ultrasonik intensitas tinggi menciptakan gelembung vakum kecil atau void dalam cairan. Ketika gelembung mencapai volume di mana mereka tidak dapat lagi menyerap energi, mereka akan mengalami kehancuran yang hebat selama siklus tekanan tinggi. Fenomena ini disebut kavitasi. KavitasiYaitu “Pembentukan, pertumbuhan, dan keruntuhan gelembung yang implosif dalam cairan. Keruntuhan Cavitational menghasilkan pemanasan lokal yang hebat (~ 5000 K), tekanan tinggi (~ 1000 atm), dan tingkat pemanasan dan pendinginan yang luar biasa (>109K/sec” dan aliran jet cair (~ 400 km/h) ". (Suslick 1998)

Ada berbagai cara untuk membuat kavitasi, seperti dengan nozel bertekanan tinggi, rotor-stator mixer, atau ultrasonik prosesor. Dalam semua sistem input energi berubah menjadi gesekan, turbulences, gelombang dan kavitasi. Sebagian kecil dari masukan energi yang berubah menjadi kavitasi tergantung pada beberapa faktor yang menggambarkan pergerakan kavitasi menghasilkan peralatan dalam cairan. Intensitas percepatan adalah salah satu faktor yang paling penting yang mempengaruhi transformasi efisien energi menjadi kavitasi. Akselerasi yang lebih tinggi menciptakan perbedaan tekanan yang lebih tinggi. Ini pada gilirannya akan meningkatkan kemungkinan pembuatan gelembung vakum daripada penciptaan gelombang menyebarkan melalui cairan. Dengan demikian, semakin tinggi akselerasi yang lebih tinggi adalah sebagian kecil dari energi yang berubah menjadi kavitasi.
Dalam kasus transduser ultrasonik, amplitudo osilasi menggambarkan intensitas percepatan. Amplitudo yang lebih tinggi menghasilkan kavitasi yang lebih efektif. Selain intensitasnya, cairan harus dipercepat dengan cara menciptakan kerugian minimal dalam hal turbulensi, gesekan dan pembangkitan gelombang. Untuk ini, cara optimal adalah arah gerakan sepihak. Mengubah intensitas dan parameter proses sonication, ultrasound bisa sangat keras atau sangat lembut. Hal ini membuat ultrasound menjadi alat yang sangat serbaguna untuk berbagai aplikasi.

Aplikasi lunak, menerapkan sonikasi ringan termasuk dalam kondisi ringan degassing, Emulsifying, dan aktivasi enzim. Keras aplikasi dengan intensitas tinggi / daya ultrasound yang tinggi (sebagian besar di bawah tekanan tinggi) basah-penggilingan, deagglomeration & pengurangan ukuran partikel, dan Dispersing / Penyebaran. Untuk kebanyakan aplikasi seperti Extraction / Ekstraksi, disintegrasi atau Sonochemistry, intensitas ultrasonik yang diminta tergantung pada bahan spesifik yang akan disonikasi. Dengan berbagai parameter, yang dapat disesuaikan dengan proses individual, ultrasound memungkinkan menemukan sweet spot untuk setiap proses individu.
Selain konversi kekuatan yang luar biasa, ultrasonication menawarkan keuntungan besar dari kontrol keseluruhan atas parameter yang paling penting: amplitudo, tekanan, suhu, viskositas dan konsentrasi. Hal ini menawarkan kemungkinan untuk menyesuaikan semua parameter ini dengan tujuan untuk menemukan parameter pemrosesan ideal untuk setiap bahan tertentu. Hal ini menghasilkan efektivitas yang lebih tinggi serta efisiensi yang optimal.

Ultrasound untuk Meningkatkan Proses Fermentasi, dijelaskan secara jelas dengan produksi bioetanol

Bioetanol adalah hasil dekomposisi biomassa atau limbah biodegradable dari limbah oleh bakteri anaerob atau aerobik. Etanol yang dihasilkan terutama digunakan sebagai biofuel. Hal ini membuat bioethanol menjadi alternatif terbarukan dan ramah lingkungan untuk bahan bakar fosil, seperti gas alam.
Untuk menghasilkan etanol dari bahan biomassa, gula, zat tepung, dan lignoselulosa dapat digunakan sebagai bahan baku. Untuk ukuran produksi industri, gula dan zat tepung saat ini dominan karena menguntungkan secara ekonomi.
Bagaimana ultrasound meningkatkan proses pelanggan-individu dengan bahan baku tertentu, dalam kondisi tertentu dapat diujicobakan dengan sangat sederhana melalui uji kelayakan. Pada langkah awal, mengsonikasi sejumlah kecil bahan mentah slurry dengan perangkat ultrasonik laboratorium akan menunjukkan, apakah ultrasound mempengaruhi bahan baku.

Uji Kelayakan

Pada tahap pengujian pertama, sangat cocok untuk menggunakan energi ultrasonik yang relatif tinggi ke dalam volume kecil cairan, sehingga peluang meningkat untuk melihat apakah ada hasil yang dapat diperoleh. Volume sampel kecil juga memperpendek waktu menggunakan perangkat laboratorium dan mengurangi biaya untuk tes pertama.
Gelombang ultrasound ditransmisikan oleh permukaan sonotrode ke dalam cairan. Di bawah permukaan sonotrode, terjadi intensitas ultrasound paling kuat. Dengan demikian, jarak pendek antara sonotrode dan bahan yang disonikasi lebih cocok. Bila volume cairan kecil terpapar, jarak dari sonotrode bisa dijaga tetap pendek.
Tabel di bawah menunjukkan tingkat energi/ tipikal volume untuk proses sonikasi setelah pengoptimalan. Karena percobaan pertama tidak akan berjalan pada konfigurasi optimum, intensitas dan waktu sonikasi sebesar 10 sampai 50 kali dari nilai tipikal akan menunjukkan apakah ada efek pada material pada saat disonikasi atau tidak.

Proses	Energi / Volume	Contoh Volume	Kekuatan	Waktu
Sederhana	< 100Ws / mL	10mL	50W	< 20 detik
Media	100Ws/mL untuk 500Ws/mL	10mL	50W	20 hingga 100 sec
Keras	> 500Ws / mL	10mL	50W	>100 detik

Tabel 1 – Tipikal nilai sonikasi setelah proses optimasi

Input daya aktual dari uji coba dapat dicatat melalui rekaman data yang terintegrasi (UP200Ht dan UP200St), PC-interface atau dengan powermeter. Dalam kombinasi dengan data yang terekam dari pengaturan dan suhu amplitudo, hasil setiap percobaan dapat dievaluasi dan garis bawah untuk energi / volume dapat ditetapkan.
Jika selama pengujian konfigurasi optimal telah dipilih, kinerja konfigurasi ini dapat diverifikasi selama langkah pengoptimalan dan akhirnya dapat ditingkatkan hingga tingkat komersial. Untuk memudahkan pengoptimalan, sangat disarankan untuk memeriksa batas sonikasi, mis. suhu, amplitudo atau energi / volume untuk formulasi tertentu juga. Karena ultrasound dapat menghasilkan efek negatif pada sel, bahan kimia atau partikel, tingkat kritis untuk setiap parameter perlu diperiksa untuk membatasi optimasi berikut ke kisaran parameter dimana efek negatif tidak diamati. Untuk studi kelayakan laboratorium kecil atau unit bench-top direkomendasikan untuk membatasi biaya peralatan dan sampel dalam uji coba tersebut. Umumnya unit 100 sampai 1.000 Watt dapat digunakan dengan sangat baikuntuk tujuan studi kelayakan. (Lihat Hielscher 2005)

Optimasi

Hasil yang dicapai selama studi kelayakan mungkin menunjukkan konsumsi energi yang cukup tinggi berkenaan dengan volume kecil yang diolah. Namun tujuan uji kelayakan ini terutama untuk menunjukkan efek ultrasound terhadap material. Jika pada uji kelayakan efek positif terjadi, upaya lebih lanjut harus dilakukan untuk mengoptimalkan rasio energi / volume. Ini berarti untuk mengeksplorasi konfigurasi ideal parameter ultrasuara untuk mencapai hasil tertinggi dengan menggunakan energi yang lebih sedikit agar proses ekonomis dapat masuk akal dan efisien. Untuk mengetahui konfigurasi parameter yang optimal – Mendapatkan manfaat yang diinginkan dengan input energi minimal - korelasi antara parameter yang paling penting amplitudo, tekanan, suhu dan cairan Komposisi harus diselidiki. Pada tahap kedua ini, perubahan dari batch sonikasi menjadi setup sonikasi kontinyu dengan flow cell reactor direkomendasikan sebagaiman parameter dari tekanan yang penting tidak dapat dipengaruhi sonikasi batch. Selama sonikasi dalam batch, tekanan terbatas pada tekanan ambien. Jika proses sonikasi melewati ruang flow cell yang dapat ditekan, maka tekanannya dapat dinaikkan (atau dikurangi) yang pada umumnya mempengaruhi ultrasonik. Kavitasi drastis. Dengan menggunakan flow cell, korelasi antara tekanan dan proses efisiensi dapat ditentukan. Prosesor ultrasonik antara kekuatan 500 watt dan 2000 watt paling cocok untuk mengoptimalkan proses.

Scale-Up untuk Usaha Produksi

Jika konfigurasi optimal telah ditemukan, skala lebih lanjut adalah sederhana seperti proses ultrasonik sepenuhnya dapat diulang pada skala linier. Ini berarti, ketika ultrasound diterapkan pada formulasi cairan yang identik dengan konfigurasi parameter pemrosesan identik, energi per volume yang sama diperlukan untuk mendapatkan hasil yang sama independen dari skala pengolahan. (Hielscher 2005). Hal itu memungkinkan untuk menerapkan konfigurasi parameter ultrasound yang optimal dengan ukuran produksi untuk skala penuh. Pada dasarnya, volume yang bisa diolah secara ultrasonik tidak terbatas. Mulai dai sistem ultrasonik komersial sampai dengan 16.000 watt setiap unit tersedia dan bisa dipasang di cluster. Kelompok prosesor ultrasonik seperti itu bisa dipasang paralel atau seri. Dengan pemasangan cluster-wise untuk prosesor ultrasonik dengan daya yang tinggi, daya total hampir tidak terbatas sehingga aliran volume yang besar dapat diproses tanpa masalah. Juga jika diperlukan penyesuaian sistem ultrasonik, mis. untuk menyesuaikan parameter dengan formulasi cairan yang dimodifikasi, ini bisa dilakukan dengan mengubah sonotrode, booster atau flow cell. Skalabilitas linier, reproduktifitas dan kemampuan adaptasi ultrasound membuat teknologi inovatif ini efisien dan hemat biaya.

Parameter Pengolahan Ultrasonik

Pengolahan cair ultrasonik digambarkan oleh sejumlah parameter. Paling penting adalah amplitudo, tekanan, suhu, viskositas dan konsentrasi. Hasil proses, seperti ukuran partikel, untuk konfigurasi parameter yang diberikan adalah fungsi dari energi setiap olahan volume. Perubahan fungsi dengan perubahan dalam parameter individu. Selain itu, output daya aktual per luas permukaan sonotrode unit ultrasonik tergantung pada parameter. Output daya per luas permukaan sonotrode adalah intensitas permukaan (I). Intensitas permukaan tergantung pada amplitudo (A), tekanan (p), volume reaktor (VR), temperatur (T), viskositas (η) dan lain-lain.

Dampak kavitasi yang dihasilkan bergantung pada intensitas permukaan. Dengan cara yang sama, hasil proses berkorelasi. Output daya total unit ultrasonik adalah produk dari intensitas permukaan (I) dan luas permukaan (S):

P [W] I [W / mm²] * S[mm²]

Amplitudo

Amplitudo osilasi menggambarkan jalannya (misalnya 50 μm) permukaan sonotrode bergerak dalam waktu tertentu (misalnya 1 / 20.000 pada 20 kHz). Semakin besar amplitudo, semakin tinggi tingkat tekanan yang menurunkan dan meningkat pada masing-masing stroke. Selain itu, perpindahan volume setiap kenaikan stroke menghasilkan volume kavitasi yang lebih besar (ukuran gelembung dan / atau angka). Bila diterapkan pada dispersi, amplitudo yang lebih tinggi menunjukkan kerusakan yang lebih tinggi pada partikel padat. Tabel 1 menunjukkan nilai umum untuk beberapa proses ultrasonik.

Tekanan

Titik didih cairan bergantung pada tekanan. Semakin tinggi tekanan semakin tinggi titik didihnya, dan sebaliknya. Tekanan yang meningkat memungkinkan kavitasi pada suhu mendekati atau di atas titik didih. Ini juga meningkatkan intensitas ledakan, yang terkait dengan perbedaan antara tekanan statis dan tekanan uap di dalam gelembung (bandingkan Vercet et al., 1999). Karena daya dan intensitas ultrasonik berubah dengan cepat dengan perubahan tekanan, pompa tekanan konstan lebih disukai. Saat memasok cairan ke sel aliran, pompa harus mampu menangani aliran cairan spesifik pada tekanan yang sesuai. Diafragma atau pompa membran; Tabung fleksibel, selang atau pompa peras; Pompa peristaltik; Atau pompa piston atau plunger akan membuat fluktuasi tekanan bolak-balik. Pompa sentrifugal, pompa roda gigi, pompa spiral, dan pompa rongga progresif yang memasokan cairan untuk disonikasi pada tekanan yang terus menerus dan stabil lebih diutamakan. (Hielscher 2005)

Suhu

Dengan mengsonikasi cairan, tenaga ditransmisikan ke medium. Seperti osilasi yang dihasilkan secara ultrasonik menyebabkan turbulensi dan gesekan, mengsonikasi cairan- sesuai dengan hukum termodinamika. – akan memanas. Suhu yang meningkat dari media olahan dapat merusak material dan menurunkan keefektifan kavitasi ultrasonik. Sel aliran ultrasonik inovatif dilengkapi dengan jaket pendingin (lihat gambar). Dengan itu, kontrol yang tepat terhadap suhu material selama pemrosesan ultrasonik diberikan. Untuk beaker sonikasi volume yang lebih kecil, es untuk mengurangi panas dianjurkan.

Viskositas dan Konsentrasi

Ultrasonik Milling dan Dispersing / Penyebaran adalah proses cair. Partikel harus dalam suspensi, misalnya dalam air, minyak, pelarut atau resin. Dengan menggunakan ultrasonik flow-through sistem, memungkinkan untuk mengsonikasi medium sangat kental, medium kayak bubur.
Prosesor ultrasonik berdaya tinggi dapat dijalankan pada konsentrasi padatan yang cukup tinggi. Konsentrasi yang tinggi memberikan keefektifan pengolahan ultrasonik, karena efek penggilingan ultrasonik disebabkan oleh tabrakan antar partikel. Investigasi telah menunjukkan bahwa tingkat kerusakan silika tidak bergantung pada konsentrasi padatan hingga 50% berat. Pengolahan batch master dengan rasio bahan yang sangat terkonsentrasi adalah prosedur produksi yang umum menggunakan ultrasonikasi.

Daya dan Intensitas vs Energi

Intensitas permukaan dan daya total hanya menggambarkan intensitas pengolahan. Volume sampel sonikasi dan waktu pemaparan pada intensitas tertentu harus dipertimbangkan untuk menggambarkan proses sonikasi agar membuatnya terukur dan dapat direproduksi. Untuk konfigurasi parameter yang diberikan, hasil prosesnya, mis. ukuran partikel atau konversi bahan kimia, akan bergantung pada energi per volume (E / V).

Hasil = F (E /V )

Di mana energi (E) adalah produk dari output daya (P) dan waktu eksposur (t).

E[WS] = P[W] *T[S]

Perubahan konfigurasi parameter akan mengubah fungsi hasil. Hal ini pada gilirannya akan memvariasikan jumlah energi (E) yang diperlukan untuk nilai sampel tertentu (V) untuk mendapatkan nilai hasil spesifik. Untuk alasan ini, tidak cukup untuk menerapkan kekuatan ultrasound tertentu ke sebuah proses untuk mendapatkan hasilnya. Pendekatan yang lebih canggih diperlukan untuk mengidentifikasi kekuatan yang dibutuhkan dan konfigurasi parameter di mana daya harus dimasukkan ke dalam materi proses. (Hielscher 2005)

Ultrasonikasi Membantu Produksi Bioetanol

Sudah diketahui bahwa ultrasound meningkatkan produksi bioetanol. Hal ini dianjurkan untuk mengentalkan cairan dengan biomassa ke slurry yang sangat kental yang masih dapat dipompa. Reaktor ultrasonik dapat menangani konsentrasi padat yang cukup tinggi sehingga proses sonikasi dapat berjalan paling efisien. Semakin banyak bahan yang terkandung dalam slurry, semakin sedikit cairan pembawa, yang tidak akan berfaedah dari proses sonikasi, akan diobati. Sebagai masukan energi ke dalam cairan menyebabkan pemanasan cairan oleh hukum termodinamika, ini berarti bahwa energi ultrasonik diterapkan pada target bahan, sejauh mungkin. Dengan desain proses yang efisien, pemborosan panas, cairan pembawa yang berlebihan dapat dihindari.
Ultrasound membantu Extraction / Ekstraksi dari bahan intraselular dan membuatnya sehingga tersedia untuk fermentasi enzimatik. Pengobatan ultrasound ringan dapat meningkatkan aktivitas enzimatik, namun untuk ekstraksi biomassa dibutuhkan ultrasound yang lebih intens. Oleh karena itu, enzim harus ditambahkan ke slurry biomassa setelah sonikasi karena ultrasound intens mengaktifkan enzim, yang merupakan efek yang tidak diinginkan.

Saat ini hasil yang dicapai oleh penelitian ilmiah:

Studi Yoswathana et al. (2010) berkenaan dengan produksi bioetanol dari jerami padi telah menunjukkan bahwa kombinasi antara perlakuan awal dan ultrasonik sebelum pengobatan enzimatik menghasilkan peningkatan kadar gula hingga 44% (pada dasar jerami padi). Ini menunjukkan keefektifan kombinasi pretreatment fisik dan kimia sebelum hidrolisis enzimatik bahan lignoselulosa terhadap gula.

Bagan 2 mengilustrasikan efek positif dari iradiasi ultrasonik selama produksi bioetanol dari jerami padi secara grafis. (Arang telah digunakan untuk mendetoksifikasi sampel pretreated dari pretreatment asam / enzim dan pretreatment ultrasonik.)

Dalam studi baru-baru ini, pengaruh ultrasonication pada tingkat ekstraseluler dan tingkat intraseluler enzim β-galaktosidase telah diperiksa. Sulaiman dkk. (2011) dapat meningkatkan produktivitas produksi bioetanol secara substansial, dengan menggunakan ultrasound pada suhu terkendali yang merangsang pertumbuhan ragi Kluyveromyces marxianus (ATCC 46537). Penulis makalah ini melanjutkan bahwa sonication intermiten dengan ultrasound daya (20 kHz) pada siklus tugas produksi biomassa ≤20% yang distimulasi, metabolisme laktosa dan produksi etanol di K. marxianus dengan intensitas sonication yang relatif tinggi yaitu 11,8Wcm^-2 Dalam kondisi terbaik, sonication meningkatkan konsentrasi etanol akhir hampir 3,5 kali lipat relatif terhadap kontrol. Ini sesuai dengan peningkatan 3,5 kali lipat dalam produktivitas etanol, namun memerlukan input daya tambahan sebesar 952W per meter kubik melalui sonikasi. Persyaratan tambahan untuk energi ini tentu saja dapat diterima oleh norma-norma operasional bioreaktor dan, untuk produk bernilai tinggi, dapat dengan mudah dikompensasikan dengan peningkatan produktivitas.

Kesimpulan: Manfaat dari Fermentasi Berbantuan UltrasoniKasi

Perlakuan ultrasonik telah ditunjukkan sebagai teknik yang efisien dan inovatif untuk meningkatkan hasil bioetanol. Terutama, ultrasound digunakan untuk mengekstrak bahan intraselular dari biomassa, seperti jagung, kedelai, jerami, bahan ligno-cellulosic atau bahan limbah nabati.

• Meningkatkan hasil bioethanol
• Disinteration / Your distruction dan pelepasan intra seluler bahan
• Meningkatkan proses penguraian anaerobic
• Aktivasi enzim oleh sonikasi ringan
• Perbaikan efisiensi proses dengan slurries konsentrasi tinggi

Pengujian sederhana, peningkatan skala dan pemasangan mudah dilakukan (juga pada arus produksi yang sudah ada) membuat ultrasonics menjadi teknologi yang menguntungkan dan efisien. Prosesor ultrasonik industri yang dapat diandalkan untuk pemrosesan komersial tersedia dan memungkinkan sonamat volume cairan hampir tak terbatas.