バイオエタノール製造のための超音波アシスト発酵

超音波アシスト発酵は、複雑な炭水化物の単純な糖への分解を促進し、酵母がエタノールに変換しやすくすることで、バイオエタノール生産を促進することができる。同時に、超音波照射は酵母細胞壁の透過効率を向上させ、より速いエタノール放出と全体的な生産量の増加を可能にする。このように、超音波アシストによるバイオエタノール発酵は、高い変換率と高い収率をもたらす。

発酵

発酵は好気性（＝酸化的発酵）または嫌気性プロセスであり、細菌、真菌、その他の生物学的細胞培養または酵素によって有機物を変換するバイオテクノロジー用途に使用される。発酵によって、有機化合物、例えば炭水化物の酸化からエネルギーが抽出される。
糖は発酵の最も一般的な基質であり、発酵後には乳酸、乳糖、エタノール、水素などの生成物が生じる。アルコール発酵では、エタノール-特に燃料として使用されるが、アルコール飲料にも使用される。 – は発酵によって生成される。ある種の酵母株、例えば サッカロマイセス・セレビシエ 酵母細胞は糖を代謝し、出発物質をエタノールと二酸化炭素に変換する。

以下の化学式はその換算をまとめたものである：

出発原料がトウモロコシなどのデンプンの場合、まずデンプンを糖に変換しなければならない。燃料として使用されるバイオエタノールの場合、デンプン変換のための加水分解が必要である。通常、加水分解は酸性処理または酵素処理、あるいはその両方の組み合わせによって促進される。通常、発酵は約35～40℃で行われる。
様々な発酵プロセスの概要

食べ物：

• 生産 & 保全
• 乳製品（乳酸発酵）、例：ヨーグルト、バターミルク、ケフィア
• 乳酸発酵野菜（キムチ、味噌、納豆、漬物、ザワークラウトなど
• 醤油などの香りの開発
• 茶、ココア、コーヒー、タバコなどのなめし剤の分解
• アルコール飲料（ビール、ワイン、ウイスキーなど

薬剤：

• インスリン、ヒアルロン酸などの医療用化合物の製造

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の改善

様々な研究論文や、ベンチトップやパイロットサイズでのテストから、超音波は酵素発酵に利用できるバイオマスを増やすことで、発酵プロセスを改善することが示されている。次のセクションでは、液体中の超音波の効果について詳しく説明する。

超音波液体処理の効果

高出力／低周波超音波により、高い振幅を発生させることができる。これにより、高出力／低周波超音波は、混合、乳化、分散、脱凝集、粉砕などの液体処理に使用できます。
液体を高強度で超音波処理する場合、液体中に伝播する音波は、周波数によって異なる割合で、高圧（圧縮）と低圧（希薄化）を交互に繰り返します。低圧サイクルの間、高強度の超音波が液体中に小さな真空の気泡または空隙を作る。気泡がエネルギーを吸収できない体積に達すると、高圧サイクルの間に激しく崩壊する。この現象はキャビテーションと呼ばれる。 キャビテーションつまり “液体中の気泡の形成、成長、内破。キャビテーション崩壊は、激しい局所加熱（～5000K）、高圧（～1000気圧）、膨大な加熱・冷却速度(>109K/秒)” と液体ジェット気流（～400km/h）」。(Suslick 1998)

キャビテーションを発生させるには、高圧ノズル、ローター・ステーター・ミキサー、超音波プロセッサーなど、さまざまな手段がある。これらのシステムでは、入力エネルギーが摩擦、乱流、波動、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説明するいくつかの要因に依存します。加速度の強さは、エネルギーの効率的なキャビテーションへの変換に影響する最も重要な要因の1つです。加速度が高ければ高い圧力差が生じます。その結果、液体中を伝播する波の発生ではなく、真空の気泡が発生する確率が高くなります。したがって、加速度が高いほど、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ーの場合、振動の振幅は加速度の強さを表します。振幅が大きいほど、より効果的にキャビテーションが発生します。強度に加え、液体は乱流、摩擦、波の発生による損失を最小限に抑える方法で加速する必要があります。そのために最適な方法は、一方向への移動です。超音波処理の強度とパラメーターを変えることで、超音波は非常に硬くすることも、非常に柔らかくすることもできる。このため、超音波はさまざまな用途に使える非常に汎用性の高いツールとなっている。

温和な条件下でマイルドな超音波処理を施すソフトな用途には、次のようなものがある。 ガス抜き, 乳化および酵素の活性化。高強度/高出力超音波（主に高圧下）を使用したハードなアプリケーションは以下の通りである。 湿式粉砕, デアグロメレーション & 粒子径の縮小 分散.などの多くの用途で使用されている。 抽出崩壊または ソノケミストリー超音波の強さは、超音波処理する材料によって異なります。個々のプロセスに適応できる多様なパラメーターにより、超音波は個々のプロセスのスイートスポットを見つけることができます。
卓越した電力変換に加えて、超音波処理には最も重要なパラメーターを完全に制御できるという大きな利点があります：振幅、圧力、温度、粘度、濃度。このため、特定の材料ごとに理想的な処理パラメーターを見つける目的で、これらすべてのパラメーターを調整する可能性があります。その結果、効率が最適化され、より高い効果が得られます。

発酵プロセスを改善する超音波、バイオエタノール生産で例証

バイオエタノールは、バイオマスや廃棄物の生分解性物質が嫌気性または好気性のバクテリアによって分解された生成物である。生産されたエタノールは、主にバイオ燃料として使用される。 このため、バイオエタノールは、天然ガスなどの化石燃料に代わる、再生可能で環境に優しい燃料となる。
バイオマスからエタノールを生産するには、砂糖、デンプン、リグノセルロース系材料を原料として使用することができる。工業生産規模では、経済的に有利な砂糖とデンプンが現在の主流である。
与えられた条件下で、特定の原料を使用する顧客個別のプロセスを超音波がどのように改善するかは、実現可能性試験によって非常に簡単に試すことができます。最初のステップでは、少量の原料スラリーを超音波処理します。 実験装置 超音波が原料に影響を与えるかどうか。

フィージビリティ・テスト

最初のテスト段階では、少量の液体に比較的大きな超音波エネルギーを導入するのが適している。サンプル量が少なければ、実験装置を使用する時間も短くなり、最初のテストにかかるコストも削減できる。
超音波は、ソノトロードの表面から液体中に伝達される。ソノトロー ドの表面では、超音波の強度が最も強くなります。そのため、ソノトロードと超音波照射される物質との距離は短い方が好ましい。液量が少ない場合は、ソノトロードからの距離を短くすることができます。
下表は、最適化後の超音波処理の典型的なエネルギー／容量レベルを示しています。最初の試行は最適な構成で行われないため、超音波処理の強度と時間を標準値の10～50倍にすることで、超音波処理された材料に影響があるかどうかがわかります。

プロセス	エネルギー ボリューム	サンプル量	パワー	時間
シンプル	< 100Ws/mL	10mL	50W	< 20秒
ミディアム	100Ws/mL～500Ws/mL	10mL	50W	20～100秒
ハード	> 500Ws/mL	10mL	50W	>100秒

表1 – プロセス最適化後の典型的な超音波処理値

試験運転の実際の入力電力は、統合データ記録 (UP200Ht およびUP200St）、PCインターフェース、または電力計を使用します。振幅設定と温度の記録データと組み合わせて、各試験の結果を評価し、エネルギー/体積のボトムラインを確立することができます。
試験中に最適な構成が選択された場合、この構成の性能は最適化ステップで検証され、最終的に商業レベルまでスケールアップすることができる。最適化を促進するために、特定の製剤について、超音波処理の限界、例えば温度、振幅、エネルギー/体積を調べることが強く推奨される。超音波は細胞、化学物質、または粒子に悪影響を及ぼす可能性があるため、次の最適化を悪影響が観察されないパラメータ範囲に限定するために、各パラメータの臨界レベルを調べる必要があります。フィージビリティ・スタディでは、このような試験における装置やサンプルの費用を抑えるため、小型のラボ用またはベンチトップ・ユニットが推奨される。一般的に、100～1,000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適している。(Hielscher 2005参照）。

最適化

実現可能性試験で得られた結果は、処理される体積が小さいため、かなり高いエネルギー消費量を示す可能性がある。しかし、実現可能性試験の目的は、主に材料に対する超音波の効果を示すことである。実現可能性試験で肯定的な効果が得られた場合、エネルギー／体積比を最適化するためのさらなる努力が必要である。これは、経済的に最も合理的で効率的なプロセスを実現するために、可能な限り少ないエネルギーで最高の収率を達成する超音波パラメーターの理想的な構成を探ることを意味する。最適なパラメータ構成を見つけるには – 最小限のエネルギー投入で意図した効果を得る - 最も重要なパラメーター間の相関関係 振幅、圧力、温度 そして 液体 組成を調査する必要がある。この第2ステップでは、バッチ式超音波処理からフローセルリアクターによる連続式超音波処理セットアップへの変更を推奨する。バッチ式超音波処理では、圧力は周囲圧力に制限される。超音波処理工程が加圧可能なフローセルチャンバーを通過する場合、圧力を上昇（または低下）させることができ、これは一般的に超音波処理に影響を与えます。 キャビテーション ドラスティックにフローセルを使用することで、圧力とプロセス効率の相関関係を決定することができる。超音波処理装置 500ワット そして 2000ワット プロセスの最適化には、電力の最適化が最も適している。

商業生産へのスケールアップ

最適なコンフィギュレーションが見つかれば、その後のスケールアップは簡単である。 リニアスケールでの完全な再現性.つまり、同一の液体製剤に同一の処理パラメーター構成で超音波を適用した場合、処理規模に関係なく、同一の結果を得るためには、体積あたり同一のエネルギーが必要となる。(Hielscher 2005）。そのため、超音波の最適なパラメーター構成を、フルスケールの生産規模まで実施することが可能になる。事実上、超音波処理できる体積は無限である。市販の超音波システムは最大 16,000ワット 台あたりで利用可能で、クラスターで設置することもできる。このような超音波プロセッサーのクラスタは、並列または直列に設置することができる。高出力の超音波プロセッサをクラスタ単位で設置することにより、総出力はほぼ無制限となり、大容量の流れを問題なく処理することができる。また、超音波システムの適応が必要な場合、例えば液剤の配合を変更するためにパラメーターを調整する必要がある場合、ソノトロード、ブースター、フローセルを変更することで対応できます。超音波の直線的な拡張性、再現性、適応性により、この革新的な技術は効率的で費用対効果に優れています。

超音波処理のパラメーター

超音波液体処理は、多くのパラメータによって記述される。最も重要なのは、振幅、圧力、温度、粘度、濃度である。あるパラメータ構成における粒子径などの処理結果は、処理体積あたりのエネルギーの関数である。この関数は、個々のパラメーターの変化によって変化する。さらに、超音波ユニットのソノトロードの表面積あたりの実際の出力は、パラメータに依存する。ソノトロードの表面積あたりの出力は、表面強度（I）である。表面強度は、振幅(A)、圧力(p)、リアクター容積(VR)、温度(T)、粘度(η)などに依存する。

発生したキャビテーションの影響は表面強度に依存する。同様に、プロセス結果も相関します。超音波ユニットの総出力は、表面強度（I）と表面積（S）の積です：

p [w] i [w / mm²]* s[mm²]

振幅

振動の振幅は、一定時間（例えば20kHzで1/20,000秒）にソノトロード表面が移動する距離（例えば50μm）を表します。振幅が大きいほど、各ストロークで圧力が低下・上昇する割合が高くなります。さらに、各ストロークの体積変位が大きくなり、キャビテーションの体積（気泡の大きさや数）が大きくなります。分散液に適用する場合、振幅が大きいほど固体粒子に対する破壊性が高くなります。表1は、いくつかの超音波プロセスにおける一般的な値を示しています。

圧力

液体の沸点は圧力に依存する。圧力が高いほど沸点は高くなり、逆に圧力が低いほど沸点は低くなる。圧力が高くなると、沸点に近い温度または沸点を超える温度でのキャビテーションが可能になる。また、静圧と気泡内の蒸気圧の差に関係する爆縮の強度も増加する（Vercetら1999参照）。超音波の出力と強度は圧力の変化に伴って素早く変化するため、定圧ポンプが望ましい。フローセルに液体を供給する場合、ポンプは適切な圧力で特定の液体流量に対応できるものでなければならない。ダイアフラムポンプ、メンブレンポンプ、フレキシブルチューブ、ホース、スクイーズポンプ、蠕動ポンプ、ピストンポンプ、プランジャーポンプは、交互に圧力変動を生じさせる。連続的に安定した圧力で超音波処理する液体を供給する遠心ポンプ、ギアポンプ、スパイラルポンプ、スネークポンプが好ましい。(Hielscher 2005)

温度

液体を超音波処理することで、媒体に力が伝わります。超音波によって発生した振動は乱流と摩擦を引き起こすため、超音波処理された液体は熱力学の法則に従って – は加熱される。処理媒体の温度が上昇すると、材料が破壊され、超音波キャビテーションの効果が低下します。革新的な超音波フローセルには冷却ジャケットが装備されています（写真参照）。これにより、超音波処理中の材料の温度を正確に制御することができます。小容量のビーカーでの超音波処理には、放熱用のアイスバスをお勧めします。

粘度と濃度

超音波 ミーリング そして 分散 は液体プロセスである。粒子は、水、油、溶剤、樹脂などの懸濁液中になければならない。超音波フロースルー・システムを使用することで、非常に粘性の高い糊状の材料を超音波処理することが可能になります。
ハイパワー超音波プロセッサーは、かなり高い固形分濃度で運転できる。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ため、高濃度が超音波処理の効果をもたらす。調査によると、シリカの破砕率は固形分濃度に依存せず、50重量％までである。高濃度の材料比率でマスターバッチを処理することは、超音波処理を用いた一般的な製造手順である。

パワーとインテンシティ対エネルギー

表面強度と全パワーは、処理の強度を表すに過ぎません。超音波処理プロセスをスケーラブルで再現性のあるものにするためには、超音波処理される試料の体積と一定の強度での暴露時間を考慮する必要があります。与えられたパラメータ構成において、粒子径や化学変化などの処理結果は、体積あたりのエネルギー（E/V）に依存します。

結果 F (E /V )

ここで、エネルギー（E）は出力（P）と照射時間（t）の積である。

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

パラメータ構成を変更すると、結果関数が変更されます。これにより、特定の結果値を得るために、与えられたサンプル値（V）に必要なエネルギー量（E）が変化します。このため、ある結果を得るためには、あるプロセスに対して一定の超音波出力を導入するだけでは十分ではありません。必要なパワーと、そのパワーをプロセス材料に投入すべきパラメータ構成を特定するには、より洗練されたアプローチが必要である。(Hielscher 2005)

超音波アシストによるバイオエタノール製造

超音波がバイオエタノール生産を向上させることはすでに知られている。バイオマスを含む液体を、ポンプで圧送可能な高粘度スラリーまで濃縮することが推奨される。超音波リアクターはかなり高い固形分濃度を扱うことができるので、超音波処理を最も効率的に行うことができる。スラリー中に含まれる物質が多ければ多いほど、超音波処理から利益を得られないキャリア液の処理量は少なくなる。液体にエネルギーを入力すると、熱力学の法則により液体が加熱されるため、超音波エネルギーは可能な限りターゲット材料に適用されます。このような効率的なプロセス設計により、余分なキャリア液の無駄な加熱が回避される。
超音波検査 抽出 細胞内物質を除去し、酵素発酵に利用できるようにする。マイルドな超音波処理は酵素活性を高めるが、バイオマス抽出にはより強力な超音波が必要である。強力な超音波は酵素を不活性化するため、酵素は超音波処理後にバイオマススラリーに加える必要がある。

科学的研究によって達成された現在の成果：

稲わらからのバイオエタノール生産に関するYoswathanaら（2010）の研究によると、酵素処理前の酸前処理と超音波処理の組み合わせにより、糖収率が最大44%（稲わらベース）増加した。これは、リグノセルロース原料を酵素で加水分解して糖にする前に、物理的・化学的前処理を組み合わせることの有効性を示している。

図2は、稲わらからのバイオエタノール製造における超音波照射の効果をグラフ化したものである。(酸/酵素前処理と超音波前処理の前処理試料を無害化するために炭を使用した)。

最近の別の研究では、β-ガラクトシダーゼ酵素の細胞外および細胞内レベルに対 する超音波処理の影響が検討された。Sulaimanら(2011)は、Kluyveromyces marxianus (ATCC 46537)の酵母増殖を刺激する温度制御下で超音波を使用することにより、バイオエタノール生産の生産性を大幅に向上させることができた。この論文の著者らは、パワー超音波（20 kHz）をデューティサイクル≦20％で断続的に照射することで、K. marxianusのバイオマス生産、乳糖代謝、エタノール生産が、11.8Wcmという比較的高い超音波照射強度で刺激されたと報告している。^-2.最良の条件下では、超音波処理によって最終的なエタノール濃度がコントロールの約3.5倍に高まった。これはエタノールの生産性が3.5倍向上したことに相当するが、超音波処理によってブロス1立方メートルあたり952Wの追加投入電力が必要となった。この追加的なエネルギー要求は、バイオリアクターの運用上許容できる範囲内であり、高価値製品の場合は、生産性の向上によって容易に補うことができる。

結論超音波アシスト発酵の利点

超音波処理は、バイオエタノールの収率を向上させる効率的かつ革新的な技術であることが示されている。主に、トウモロコシ、大豆、わら、リグノセルロース系材料、植物性廃棄物などのバイオマスから細胞内物質を抽出するために超音波が使用される。

• バイオエタノール収量の増加
• 破砕／細胞の破壊と細胞内物質の放出
• 嫌気性分解の改善
• マイルド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プロセス効率の改善

簡単なテスト、再現可能なスケールアップ、容易な設置（既存の生産工程にも可能）により、超音波は収益性の高い効率的な技術となっています。商業処理用の信頼性の高い工業用超音波プロセッサーがあり、実質的に無制限の液量を超音波処理することが可能です。