ヒールシャー超音波技術

超音波バイオエタノール生産のための発酵を支援

発酵

発酵は、細菌、真菌または他の生物学的細胞培養によって、または酵素により有機材料を変換するためにバイオテクノロジー用途に使用され好気性(=酸化発酵)または嫌気性プロセスであることができます。発酵によって、エネルギーは、例えば、有機化合物の酸化から抽出されます炭水化物。

糖は、例えば、乳酸、ラクトース、エタノールおよび水素などの産物に発酵後に得られた、発酵の最も一般的な基質です。アルコール発酵のために、エタノール - 特に燃料として使用するために、だけでなく、アルコール飲料のための – 発酵によって生産されます。場合などの特定の酵母株、 サッカロマイセス・セレビシエ(Saccharomyces cerevisiae) 砂糖を代謝、酵母細胞は、エタノールと二酸化炭素に出発物質を変換します。

化学反応式は、以下の変換を要約します。

一般的なバイオエタノール製造において、糖を乳酸、ラクトース、エタノールおよび水素に発酵により変換されます。

化学反応式は、バイオエタノールへの変換を要約します。

出発物質がデンプンである場合、例えばトウモロコシから、まず澱粉を砂糖に変換する必要があります。燃料として使用されるバイオエタノールは、澱粉変換の加水分解が必要です。典型的には、加水分解は、酸性又は酵素処理により、または両方の組み合わせによって高速化されます。通常、発酵は、約35〜40℃で行われます。
様々な発酵プロセスオーバー概要:

食べ物:

  • 製造 & 保存
  • 乳製品(乳酸発酵)、例えばヨーグルト、バターミルク、ケフィア
  • 乳酸発酵野菜、例えばキムチ、味噌、納豆、つけもの、ザウアークラウト
  • 芳香族化合物の開発、例えば醤油
  • タンニング剤の分解、例えば紅茶、ココア、コーヒー、タバコ
  • アルコール飲料、例えばビール、ワイン、ウイスキー

ドラッグ:

  • 医療用化合物の製造、例えばインスリン、ヒアルロン酸

バイオガス/エタノール:

  • バイオガス/バイオエタノール生産性の向上

ベンチトップおよびパイロット規模の様々な研究論文及び試験は、超音波、酵素発酵のためのより多くのバイオマスを利用可能にすることにより、発酵工程を改善することが示されています。次のセクションでは、液体中の超音波の影響が詳述されます。

超音波反応器は、バイオディーゼルの収率および処理effiencyを増やします!

バイオエタノールは、ヒマワリの茎、トウモロコシ、サトウキビなどから製造することができます

超音波加工液の影響

高電力/低周波の超音波により高い振幅を生成することができます。これにより、高出力/低周波の超音波は、例えば、混合、乳化、分散および解凝集、または粉砕などの液体の処理のために使用することができます。
高強度で液体を超音波処理する際に、液体培地中に伝播する音波は、周波数に応じてレートで、高圧(圧縮)及び低圧(希薄化)のサイクルを交互につながります。低圧サイクルの間に、高強度の超音波は、液体中に小さな真空泡又は空隙を作ります。気泡が、彼らはもはやエネルギーを吸収することはできませんこれでボリュームを達成すると、彼らは、高圧サイクル中に激しく崩壊します。この現象はキャビテーションと呼ばれています。 キャビテーション、 あれは “液体中の気泡の形成、成長、およびimplosive崩壊。キャビテーション崩壊が激しい局所的な加熱(〜5000 K)、高圧(〜1000年気圧)、そして巨大な加熱と冷却速度を(生成します>109 K /秒)” 液体噴射流(〜毎時400キロ)」。 (Suslick 1998)

エタノールの化学構造

エタノールの構造式

高圧ノズル、ローターステーターミキサー、または超音波プロセッサーなど、キャビテーションを作り出すためのさまざまな手段があります。これらすべてのシステムでは、入力エネルギーは摩擦、乱流、波とキャビテーションに変換されます。キャビテーションに変換される入力エネルギーの割合は、液体中のキャビテーション発生装置の動きを記述するいくつかの要因に依存する。加速の強さは、キャビテーションへのエネルギーの効率的な変換に影響を及ぼす最も重要な要素の1つです。加速度が高いほど圧力差が大きくなります。これは、液体中を伝播する波の生成の代わりに、真空気泡の生成の可能性を増加させる。したがって、加速が高いほど、キャビテーションに変換されるエネルギーの割合が高くなります。
超音波トランスデューサの場合には、振動の振幅は、加速度の強さを記述する。高い振幅は、キャビテーションのより効果的な創出につながります。強度に加えて、液体は、乱流、摩擦及び波発生の点で最小の損失を作成する方法で加速されなければなりません。このため、最適な方法は、動きの一方的な方向です。強度と超音波処理プロセスのパラメータを変更し、超音波は非常に難しいか、非常に柔らかくすることができます。これは、様々なアプリケーションのための超音波非常に汎用性の高いツールとなります。
Compact and powerful ultrasonic lab devices allow for simple testings in small scale to evaluate process feasibility

写真1 – 超音波ラボ機器 UP100H 実証実験のための(100ワット)

温和な条件下で穏やかな超音波処理を適用するソフトのアプリケーションでは、含ま 脱気乳化、および酵素活性化。 (主に高圧下)の高強度/高出力超音波とハードアプリケーションであります 湿式粉砕解凝集 & 粒子サイズの減少、および 分散。など、多くのアプリケーションで 抽出、崩壊または ソノケミストリー、要求された超音波の強度を超音波処理される特定の材料に依存します。個々のプロセスに適合させることができる様々なパラメータによって、超音波は、個々のプロセスのためのスイートスポットを見つけることができます。
振幅、圧力、温度、粘度、および濃度:優れた電力変換のほかに、超音波は、最も重要なパラメータの完全な制御の大きな利点を提供しています。これは、各特定の材料のための理想的な処理パラメータを見つけることが目的で、これらすべてのパラメータを調整する可能性を提供しています。これは、より高い有効性だけでなく、最適化された効率が低下します。

超音波は、バイオエタノール生産に例示的に説明し、発酵プロセスを改善します

バイオエタノールは、嫌気性または好気性細菌によるバイオマスや廃棄物の生分解性物質の分解生成物です。生成したエタノールは主にバイオ燃料として使用されます。これは、天然ガスなどの化石燃料、再生可能なため、環境に優しい代替をバイオエタノールます。
バイオマス、砂糖、澱粉、及びリグノセルロース材料からエタノールを生成するための原料として使用することができます。彼らは経済的に有利であると工業生産の大きさのために、砂糖やでんぷんは、現在支配的です。
どのように超音波が与えられた条件の下で、特定の原料と顧客の個々のプロセスを改善することは実証実験により、非常に簡単な試してみたことができます。第一工程、超音波と原料スラリーの少量の超音波処理で 実験装置 超音波は、原料には影響しない場合、表示されます。

フィージビリティテスト

最初のテスト段階では、任意の結果が得られるかどうかを確認するために、それによって機会が増加するにつれて、液体の小体積に超音波エネルギーの比較的高い量を導入するのに適しています。少量のサンプルもラボ機器を使用して時間を短縮し、最初のテストのためのコストをカットダウン。
超音波は、液体中にソノトロードの表面によって送信されます。ソノトロード表面Beneth、超音波強度が最も強いです。これにより、ソノトロード超音波処理材料との間の短い距離が好ましいです。小さな液体体積が露出されたときに、ソノトロードからの距離を短くすることができます。
以下の表は、最適化した後、超音波処理プロセスのための典型的なエネルギー/音量レベルを示します。最初の試験は、超音波処理した材料かのいずれかの効果がある場合に表示される典型的な値の10〜50倍に最適な構成、超音波処理の強度及び時間に実行されないからです。

プロセス

エネルギー/

ボリューム

サンプル量

時間

シンプル

< 100Ws / mLの

10mLの

50W

< 20秒

500Ws / mLに100Ws / mLの

10mLの

50W

20秒〜100

ハード

> 500Ws / mLの

10mLの

50W

>100秒

表1 – プロセスの最適化後の典型的な超音波処理値

テスト実行の実際の電力入力は、統合されたデータ記録を介して記録することができます(Uf200ःトン そしてUP200St)、PC-インタフェースまたはパワーメータによって。振幅設定及び温度の記録されたデータと組み合わせて、各試験の結果を評価することができ、エネルギー/ボリュームのボトムラインを確立することができます。
テスト中に最適な構成が選択された場合、この構成のパフォーマンスは最適化の段階で検証され、最終的に商業レベルまで拡大される可能性があります。最適化を容易にするために、特定の処方物についての超音波処理の限界(例えば、温度、振幅またはエネルギー/体積)も調べることが強く推奨される。超音波が細胞、化学物質または粒子に悪影響を及ぼす可能性があるので、以下の最適化を負の効果が観察されないパラメータ範囲に限定するために、各パラメータの限界レベルを調べる必要がある。フィージビリティスタディのために、小規模なラボやベンチトップユニットは、そのような試行で機器やサンプルの費用を制限することが推奨されています。一般的に100~1000ワットのユニットがフィージビリティ・スタディの目的に非常に役立ちます。 (Hielscher 2005参照)

Ultrasonic processes are easy to optimize and to scale up. This turns ultrasonication into an highly potential processing alternative to high pressure homogenizers, pearl and bead mills or three-roll mills.

表1 – プロセスの最適化後の典型的な超音波処理値

最適化

フィージビリティ・スタディの間に達成された結果は、処理された小容積に関する非常に高いエネルギー消費量を示してもよいです。しかし、実現可能性試験の目的は、材料への超音波の効果を示すために、主にあります。実現可能性にプラスの効果を試験した場合発生し、更なる努力がエネルギー/体積比を最適化するために行われなければなりません。これは、経済的に最も合理的かつ効率的なプロセスを行うことが可能少ないエネルギーを使用して最高収率を達成するために、超音波パラメータの理想的な構成を探索することを意味します。最適なパラメータの設定を確認するには – 最小限のエネルギー入力で意図した利益を得ること – 最も重要なパラメータ間の相関関係 振幅、圧力、温度 そして 液体 組成物を調査する必要があります。圧力の重要なパラメータは、バッチ超音波処理のために影響を与えることができないように、この第二のステップでは、フローセル反応器に連続超音波処理設定にバッチ超音波処理からの変更が推奨されています。バッチ中での超音波処理の間、圧力は周囲圧力に制限されます。超音波処理は、加圧フローセルチャンバーを通過する場合、圧力が上昇(又は減少)することができる一般的な超音波に影響を与えます キャビテーション 大幅に。フローセルを使用することにより、圧力及びプロセス効率との間の相関を決定することができます。間の超音波プロセッサ 500ワット そして 2000ワット 電源のプロセスを最適化するのに最も適しています。

Fully controllable ultrasonic equipment allows for process optimization and completely linear scale-up

写真2 - 超音波プロセスの最適化のためのフローチャート

商業生産へのスケールアップ

最適な構成が発見された場合、超音波処理であるように、さらにスケールアップは簡単です リニアスケールで完全に再現可能。これは、同一の処理パラメータ構成で同一の液体配合物に超音波を適用すると、処理規模とは無関係に同一の結果を得るためには同じ体積のエネルギーが必要であることを意味する。 (Hielscher 2005)。これにより、超音波の最適なパラメータ構成を本格的な生産規模に実現することが可能になる。事実、超音波で処理できる体積は無制限である。市販の超音波システム 16000ワット 単位あたりの利用可能であり、クラスタにインストールすることができます。超音波プロセッサのようなクラスタは、並列または直列に設置することができます。大量のストリームを問題なく処理することができるように、高出力の超音波プロセッサのクラスタ単位のインストールによって、総電力がほぼ無限です。また、超音波システムの適応が必要な場合、例えば修飾された液体製剤にパラメータを調整するために、これはほとんどソノトロード、ブースタ又はフローセルを変更することによって行うことができます。リニアなスケーラビリティ、再現性と超音波の適応性は、この革新的な技術は、効率的で費用対効果を高めます。

16kW ultrasonic machine for industrial processing of large volume streams, e.g. biodiesel, bioethanol, nano particle processing and manifold other applications.

画像3 - 産業用超音波プロセッサ UIP16000 16000ワットのパワーを持ちます

超音波処理のパラメータ

超音波液体処理は、多数のパラメータによって記述されます。振幅、圧力、温度、粘度、および濃度が最も重要です。処理結果は、そのような粒子サイズとして、所与のパラメータ設定のために処理体積当たりのエネルギーの関数です。関数は、個々のパラメータの変化に伴って変化します。また、超音波装置のソノトロードの表面積あたりの実際の電力出力はパラメータに依存します。ソノトロードの表面面積あたりの電力出力は、表面の強度(I)です。表面強度が振幅(A)、圧力(P)、リアクターボリューム(VR)、温度(T)、粘度(η)などに依存します。

超音波処理の最も重要なパラメータは、振幅(A)、圧力(P)、リアクターボリューム(VR)、温度(T)、および粘度(η)が挙げられます。

超音波処理のキャビテーションの影響は、振幅(A)、圧力(P)、リアクターボリューム(VR)、温度(T)、粘度(η)などによってdecribedされた表面の強度に依存します。プラスとマイナス記号は、超音波処理の強度上の特定のパラメータの正または負の影響を示しています。

生成されたキャビテーションの影響は、表面強度に依存します。同様に、処理結果が相関します。超音波ユニットの総電力出力は、表面の強度(I)と表面積(S)の積です。

P [W] [W / ミリメートル²] * S[ミリメートル²]

振幅

振動の振幅は、ソノトロード面が所定の時間(20kHzにおける例えば1 / 20,000s)に進行方法(例えば50μm)を記述する。振幅が大きいほど、より高い圧力が低下し、各ストロークで増加する速度です。それに加えて、より大きなキャビテーション体積(気泡サイズおよび/または数)で得られた各ストロークの体積が増加変位。分散液に適用された場合、より高い振幅は、固体粒子に高い破壊力を示しました。表1は、いくつかの超音波処理のための一般的な値を示しています。

The ultrasound amplitude is an important process parameter.

表2 – 振幅のための一般的な推奨事項

圧力

液体の沸点は圧力に依存する。圧力が高いほど沸点が高くなり、逆もまた同様である。高い圧力は、沸点に近いかまたはそれを超える温度でのキャビテーションを可能にする。また、爆縮の強さは静圧と気泡内部の蒸気圧の差に関係している(Vercet et al。1999参照)。圧力の変化に伴って超音波パワーや強度が急激に変化するため、定圧ポンプが好ましい。フローセルに液体を供給するとき、ポンプは、適切な圧力で特定の液体流を取り扱うことができなければならない。ダイアフラムポンプまたは膜ポンプ;フレキシブルチューブ、ホースまたはスクイズポンプ;蠕動ポンプ;またはピストンまたはプランジャーポンプが交互に圧力変動を起こします。連続的に安定した圧力で超音波処理される液体を供給する遠心ポンプ、歯車ポンプ、螺旋ポンプ、および累進キャビティポンプが好ましい。 (Hielscher 2005)

温度

液体を超音波処理することによって、電力が媒体に伝達されます。超音波発生振動は、乱流と摩擦、超音波処理液を引き起こす - 熱力学の法則に従って – ヒートアップします。処理中の高温材料を破壊することと、超音波キャビテーションの効果を減少させることができます。革新的な超音波フローセルは、冷却ジャケット(写真参照)が装備されています。それにより、超音波処理中の材料の温度に対する正確な制御が与えられます。より少量のビーカーの超音波処理のために放熱用の氷浴をお勧めします。

Picture 3 – Ultrasonic transducer UIP1000hd (1000 watts) with flow cell equipped with cooling jacket – typical equipment for optimization steps or small scale production

写真3 - 超音波トランスデューサ UIP1000hd 冷却ジャケットを備えたフローセルと(1,000ワット) - 最適化ステップまたは小規模生産のための典型的な装置

粘度と集中

超音波 製粉 そして 分散 液体プロセスがあります。粒子は、例えば、懸濁液中でなければなりません水、油、溶媒または樹脂です。超音波フロースルーシステムを用いることにより、非常に粘性のペースト状材料を超音波処理することが可能となります。
高出力超音波処理は、かなり高い固形分濃度で実行することができます。超音波粉砕効果は粒子間の衝突によって引き起こされるような高濃度は、超音波処理の有効性を提供します。研究は、シリカの破損率が50重量%の固形分濃度アップとは無関係であることを示しています。高度に濃縮された材料の比を有するマスターバッチの処理は、超音波を用いた一般的な製造手順です。

パワーとエネルギー強度対

表面強度と総電力は、処理の強度を記述します。超音波処理した試料体積および特定の強度での暴露時間は、スケーラブルかつ再現可能にするために超音波処理を説明するために考慮されなければなりません。与えられたパラメータの設定処理結果のために、例えば粒径または化学的変換は、体積当たりのエネルギー(E / V)に依存するであろう。

結果= F E /V

ここで、エネルギー(E)は、電力出力(P)の積と露光の時間(t)です。

E[WS] = P[W] *トン[S]

パラメータ設定の変更は、結果関数を変更します。これは、特定の結果値を得るために、所与のサンプル値(V)のために必要なエネルギー量(E)が変化します。このような理由から、結果を得るためのプロセスに、超音波の一定の力を配備するのに十分ではありません。より洗練されたアプローチが必要とされる電力とパワーは、プロセス材料に置かれるべきでパラメータ設定を識別するために必要です。 (ヒールシャー2005)

超音波バイオエタノールの生産を支援

すでに超音波は、バイオエタノール生産を向上することが知られています。まだポンプ輸送可能であり、高粘度スラリーにバイオマス液体を増粘することが推奨されます。超音波処理プロセスが最も効率的に実行できるように、超音波原子炉はかなり高い固形分濃度を扱うことができます。より多くの材料をスラリー中に含有され、超音波処理から利益ません以下キャリア液体は、扱われます。液体へのエネルギーの入力は、熱力学の法則により、液体の加熱を引き起こすように、これは超音波エネルギーが可能な限り、ターゲット材料に適用されることを意味します。そのような効率的なプロセス設計により、過剰キャリア液体の無駄な加熱が回避されます。
超音波は支援します 抽出 細胞内物質の酵素的発酵のために、それによって使用可能になります。軽度の超音波治療は、酵素活性を向上させることができますが、バイオマス抽出のためのより強い超音波が必要となります。強い超音波が望ましくない効果である酵素を不活性化するようしたがって、酵素は、超音波処理後のバイオマススラリーに添加されるべきです。

科学的研究によって達成現在の結果:

Yoswathanaらの研究。 (2010)稲わらからバイオエタノール生産と関連が(稲わら基準で)最大44%の増加、糖収量に酵素処理鉛前酸前処理及び超音波の組合せが示されています。これは、砂糖にリグノセルロース材料の酵素加水分解の前に物理的および化学的前処理の組み合わせの有効性を示します。

チャート2は、グラフィカル稲わらからバイオエタノール製造中の超音波照射の正の効果を示します。 (チャコールは、酸/酵素前処理および超音波前処理からの前処理されたサンプルを解毒するために使用されています。)

有意に高いエタノール収率で超音波支援発酵結果。バイオエタノールは、稲わらから生成されています。

チャート2 – 発酵中のエタノール収率の超音波増強(Yoswathanaら、2010)

別の最近の研究では、細胞外およびβガラクトシダーゼ酵素の細胞内レベルでの超音波の影響が検討されています。スライマンら。 (2011)、クリベロマイセス・マルキシアヌス(Kluyveromyces marxianus)(ATCC 46537)の酵母の増殖を刺激する制御された温度で超音波を使用して、実質的にバイオエタノール製造の生産性を改善することができます。論文の著者は、≤20%のデューティ・サイクルでパワー超音波(20キロヘルツ)と間欠音波処理はK. marxianusのに11.8Wcmの比較的高い超音波強度でバイオマス生産、ラクトース代謝及びエタノール産生を刺激することを再開する - 2。最高の条件の下で、超音波処理は、コントロールとほぼ3.5倍の相対的で、最終的なエタノール濃度を高めました。これは、エタノール生産における3.5倍の向上に対応するが、超音波処理を介してブロスの立方メートル当たり追加の電力入力の952Wを必要としました。エネルギーのためのこの追加の要件は、高付加価値製品のために、簡単に生産性の向上によって補償することができ、バイオリアクターのための許容動作規範の中に確かでした。

結論:超音波で支援発酵からのメリット

超音波処理は、バイオエタノールの収率を向上させるために効率的かつ革新的な技術として示されています。主に、超音波は、トウモロコシ、大豆、藁、リグノセルロース系材料または植物廃棄物として、バイオマスから細胞内物質を抽出するために使用されます。

  • バイオエタノール収量の増加
  • Disinteration /セルdistructionと細胞内物質の放出
  • 改善された嫌気性分解
  • 穏やかな超音波処理による酵素の活性化
  • 高濃度スラリーによる処理効率の向上

(また、既存の生産の流れで)簡単なテスト、再現性のスケールアップと簡単にインストールは超音波収益性と効率的な技術になります。商用処理のための信頼性の高い工業用超音波プロセッサが利用可能であり、事実上無制限の液体のボリュームを超音波処理することを可能にします。

UIP1000hd Bench-Top Ultrasonic Homogenizer

Picure 4 - 1000W超音波プロセッサを搭載したセットアップ UIP1000hd、フローセル、タンクとポンプ

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文学/参考文献

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