バイオエタノール生産のための超音波支援発酵

超音波支援発酵は、複雑な炭水化物のより単純な糖への分解を促進し、酵母が糖を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向上させることができます。同時に、超音波処理は酵母の細胞壁の透過性の効率も改善し、エタノールの放出を速め、全体の生産量を増加させます。このように、超音波支援によるバイオエタノール発酵は、より高い変換率と収率の向上をもたらします。

発酵

発酵は、好気性（= 酸化発酵）または嫌気性のプロセスであり、細菌、真菌、その他の生物の培養細胞、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利用されます。発酵では、炭水化物などの有機化合物の酸化からエネルギーが取り出されます。
糖は発酵で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得られます。アルコール発酵では、エタノール – 特に燃料用ですが、酒類用にも – が発酵によって生成されます。 Saccharomyces cerevisiae などの特定の酵母株が糖を代謝すると、酵母細胞は出発原料をエタノールと二酸化炭素に変換します。

以下の化学反応式は、この変換をまとめたものです。

出発原料がトウモロコシ由来などのデンプンである場合、まずデンプンを糖に変換する必要があります。燃料として使用するバイオエタノールでは、デンプンの変換に加水分解が必要です。通常、加水分解は酸処理、酵素処理、または両者の組み合わせによって促進されます。発酵は通常、約35–40 °Cで行われます。
各種発酵プロセスの概要：

食品：

• 製造 & 保存
• 乳製品（乳酸発酵）、例：ヨーグルト、バターミルク、ケフィア
• 乳酸発酵させた野菜、例：キムチ、味噌、納豆、漬物、ザワークラウト
• 香気成分の生成、例：醤油
• なめし剤の分解、例：茶、ココア、コーヒー、タバコ
• 酒類、例：ビール、ワイン、ウイスキー

医薬品：

• 医療用化合物の製造、例：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の改善

各種研究論文ならびに卓上規模およびパイロット規模の試験では、超音波によって酵素発酵に利用できるバイオマスが増え、発酵プロセスが改善されることが示されています。次の節では、液体中での超音波の作用について詳しく説明します。

超音波液体処理の効果

高出力/低周波の超音波によって、高い振幅を発生させることができます。そのため、高出力/低周波の超音波は、混合、乳化、分散、解凝集、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と、液体媒体中を伝播する音波によって、高圧（圧縮）と低圧（希薄化）のサイクルが交互に生じ、その繰り返し速度は周波数に依存します。低圧サイクルでは、高強度の超音波が液体中に小さな真空気泡または空洞を形成します。気泡がエネルギーを吸収できなくなる体積に達すると、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ます。 キャビテーションとは、「液体中での気泡の形成、成長、内向きの爆発的崩壊です。キャビテーションによる崩壊は、強烈な局所加熱（~5000 K）、高圧（~1000 atm）、極めて大きな加熱・冷却速度（>109 K/sec）」および液体ジェット流（~400 km/h）を生じさせます。（Suslick 1998）

キャビテーションを発生させる方法には、高圧ノズル、ローター・ステーター式ミキサー、超音波プロセッサーなど、さまざまなものがあります。これらのシステムではいずれも、投入エネルギーが摩擦、乱流、波、キャビテーションに変換されます。投入エネルギーのうちキャビテーションに変換される割合は、液体中でのキャビテーション発生装置の動きを表す複数の要因に依存します。加速度の大きさは、エネルギーをキャビテーションへ効率的に変換するうえで最も重要な要因の一つです。加速度が高いほど、圧力差が大きくなります。これにより、液体中を伝播する波が生じる代わりに、真空気泡が形成される確率が高まります。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。
超音波振動子の場合、振動の振幅は加速度の大きさを表します。振幅が高いほど、キャビテーションをより効果的に発生させることができます。強度に加え、乱流、摩擦、波の発生による損失を最小限に抑えるように液体を加速させる必要があります。そのためには、一方向の動きが最適です。超音波処理の強度とパラメーターを変えることで、超音波は非常に強い作用にも、非常に穏やかな作用にもできます。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手段となります。

穏やかな条件下で穏やかな超音波処理を行う用途には、 脱気, 乳化、酵素の活性化などがあります。高強度/高出力の超音波を用いる強い処理の用途（多くは加圧下）には、 湿式粉砕, 解凝集 と粒径の低減、および 分散があります。 抽出、崩壊、 ソノケミストリーなどの多くの用途では、必要な超音波強度は超音波処理する材料によって異なります。個々のプロセスに合わせて調整できる多様なパラメーターにより、超音波では各プロセスに最適な条件を見つけることができます。
優れた出力変換に加え、超音波処理には、最も重要なパラメーターである振幅、圧力、温度、粘度、濃度を完全に制御できるという大きな利点があります。これにより、材料ごとに理想的な処理パラメーターを見つけることを目的として、これらすべてのパラメーターを調整できます。その結果、効果が高まり、効率も最適化されます。

発酵プロセスを改善する超音波 – バイオエタノール生産を例に解説

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中の生分解性物質の分解によって生成されます。生成されたエタノールは、主にバイオ燃料として使用されます。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選択肢となります。
バイオマスからエタノールを生産するには、糖、デンプン、リグノセルロース系材料を原料として使用できます。工業的生産規模では、経済的に有利な糖とデンプンが現在主流となっています。
特定の原料を所定の条件下で使用する顧客ごと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確認できます。最初の段階では、超音波 実験室用装置 で少量の原料スラリーを超音波処理することにより、超音波が原料に影響を及ぼすかどうかがわかります。

実現可能性試験

最初の試験段階では、少量の液体に比較的多くの超音波エネルギーを投入することが適切です。これにより、何らかの結果が得られるかどうかを確認できる可能性が高まるためです。サンプル量を少なくすると、実験室用装置の使用時間も短くなり、初期試験の費用を削減できます。
超音波はソノトロードの表面から液体中に伝達されます。ソノトロード表面の下では、超音波強度が最も高くなります。そのため、ソノトロードと超音波処理する材料との距離は短いことが望まれます。少量の液体を処理する場合は、ソノトロードからの距離を短く保つことができます。
下の表は、最適化後の超音波処理プロセスにおける代表的なエネルギー/体積の水準を示しています。初期試験は最適な設定では行われないため、超音波処理の強度と時間を代表値の10–50倍にすることで、処理対象の材料に何らかの影響があるかどうかを確認できます。

プロセス	エネルギー/ 体積	サンプル体積	出力	時間
簡単	< 100Ws/mL	10mL	50W	< 20 sec
中程度	100Ws/mL–500Ws/mL	10mL	50W	20–100 sec
強力	> 500Ws/mL	10mL	50W	>100 sec

表1 – プロセス最適化後の代表的な超音波処理値

試験運転時の実際の投入電力は、内蔵データ記録機能（UP200Ht およびUP200St）、PCインターフェース、または電力計によって記録できます。記録した振幅設定と温度のデータを組み合わせることで、各試験の結果を評価し、エネルギー/体積の基準値を設定できます。
試験中に最適な設定を選択した場合、その設定での性能を最適化段階で検証し、最終的に商業規模へ拡大できる可能性があります。最適化を容易にするため、特定の配合に対する温度、振幅、エネルギー/体積など、超音波処理の限界も調べることを強く推奨します。超音波は細胞、化学物質、粒子に悪影響を及ぼす可能性があるため、その後の最適化を悪影響が観察されないパラメーター範囲に限定できるよう、各パラメーターの臨界水準を調べる必要があります。実現可能性試験では、こうした試験における装置とサンプルの費用を抑えるため、小型の実験室用装置または卓上装置を推奨します。一般に、100–1,000 ワットの装置は、実現可能性試験の目的に非常によく適しています。（Hielscher 2005参照）

最適化

実現可能性試験で得られる結果では、処理する体積が小さいことを考慮すると、エネルギー消費量がかなり高くなる場合があります。しかし、実現可能性試験の主な目的は、材料に対する超音波の効果を示すことです。実現可能性試験で有益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に、さらなる取り組みが必要です。これは、可能な限り少ないエネルギーで最高の収率を達成し、プロセスを経済的に最も合理的かつ効率的にするために、超音波パラメーターの理想的な設定を探ることを意味します。最小限のエネルギー投入で意図した利点が得られる最適なパラメーター設定を見つけるには、最も重要なパラメーターである 振幅、圧力、温度 および 液体 の組成の相関関係を調べる必要があります。この第二段階では、バッチ式超音波処理では重要なパラメーターである圧力を変えられないため、バッチ式超音波処理からフローセルリアクターを用いた連続超音波処理構成への変更を推奨します。バッチ式超音波処理では、圧力は周囲圧力に限定されます。超音波処理プロセスが加圧可能なフローセルチャンバーを通過する場合、圧力を上げる（または下げる）ことができ、これは一般に超音波 キャビテーション に大きく影響します。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特定できます。出力が 500 ワット – 2000 ワット の超音波プロセッサーが、プロセスの最適化に最も適しています。

商業生産へのスケールアップ

最適な設定が見つかれば、超音波プロセスは 線形のスケールで完全に再現可能であるため、その後のスケールアップは簡単です。つまり、同一の液体配合に同一の処理パラメーター設定で超音波を適用した場合、処理規模にかかわらず、同一の結果を得るには単位体積当たり同じエネルギーが必要です。（Hielscher 2005）。これにより、超音波の最適なパラメーター設定を本格的な生産規模に適用できます。超音波処理できる体積は、事実上無制限です。一台当たり最大 16,000 ワット の商業用超音波システムが利用でき、クラスターとして設置できます。このような超音波プロセッサーのクラスターは、並列または直列に設置できます。高出力超音波プロセッサーをクラスターとして設置することで、総出力はほぼ無制限となり、大量の流体を問題なく処理できます。また、液体配合の変更に合わせてパラメーターを調整するなど、超音波システムの適応が必要な場合も、通常はソノトロード、ブースター、フローセルを交換することで対応できます。超音波の線形スケーラビリティ、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、複数のパラメーターによって記述されます。最も重要なのは、振幅、圧力、温度、粘度、濃度です。所定のパラメーター設定における粒径などの処理結果は、処理体積当たりのエネルギーの関数となります。この関数は、個々のパラメーターの変更によって変化します。さらに、超音波装置のソノトロードの単位表面積当たりの実際の出力は、パラメーターに依存します。ソノトロードの単位表面積当たりの出力が表面強度（I）です。表面強度は、振幅（A）、圧力（p）、リアクター体積（VR）、温度（T）、粘度（η）などに依存します。

発生したキャビテーションの作用は、表面強度に依存します。同様に、処理結果も表面強度と相関します。超音波装置の総出力は、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、所定の時間（例：20kHzで1/20,000s）にソノトロード表面が移動する距離（例：50 µm）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・上昇する速度が高くなります。さらに、各ストロークでの体積変位が増加し、キャビテーションの体積（気泡の大きさおよび/または数）が大きくなります。分散液に適用すると、振幅が高いほど固体粒子に対する破壊作用が強くなります。表1に、いくつかの超音波プロセスの一般的な値を示します。

圧力

液体の沸点は圧力に依存します。圧力が高いほど沸点は高くなり、逆も同様です。圧力を高めると、沸点に近い温度または沸点を超える温度でキャビテーションを発生させることができます。また、静圧と気泡内部の蒸気圧の差に関係する、内向きの爆発的崩壊の強度も高まります（Vercet et al. 1999参照）。超音波の出力と強度は圧力の変化に伴って急速に変化するため、定圧ポンプが望まれます。フローセルに液体を供給する際には、ポンプはその液体の流れを適切な圧力で扱える必要があります。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ポンプ、ホースポンプまたはスクイーズポンプ、蠕動ポンプ、ピストンポンプまたはプランジャーポンプでは、圧力が交互に変動します。超音波処理する液体を連続的に安定した圧力で供給する遠心ポンプ、ギアポンプ、スパイラルポンプ、一軸偏心ねじポンプが推奨されます。（Hielscher 2005）

温度

液体を超音波処理すると、媒体にパワーが伝達されます。超音波によって発生する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 – 温度が上昇します。処理媒体の温度上昇は、材料を損傷し、超音波キャビテーションの効果を低下させる可能性があります。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（図参照）。これにより、超音波処理中の材料の温度を正確に制御できます。少量の液体をビーカーで超音波処理する場合は、放熱のために氷浴を推奨します。

粘度と濃度

超音波による 粉砕 および 分散 は、液体中で行うプロセスです。粒子は、水、油、溶媒、樹脂などに懸濁している必要があります。超音波フロースルーシステムを使用すると、非常に粘度の高いペースト状の材料を超音波処理できます。
高出力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ます。超音波粉砕の効果は粒子間の衝突によって生じるため、高濃度であることが超音波処理の有効性につながります。研究では、シリカの破砕速度は、重量比50%までの固形分濃度に依存しないことが示されています。材料比率が高い高濃度マスターバッチの処理は、超音波処理を利用した一般的な生産手順です。

出力・強度とエネルギーの比較

表面強度と総出力は、処理の強度のみを表します。超音波処理プロセスをスケールアップ可能かつ再現可能にするためには、処理するサンプルの体積と、一定の強度にさらす時間を考慮してプロセスを記述する必要があります。所定のパラメーター設定では、粒径や化学変換などの処理結果は、単位体積当たりのエネルギー（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）の積です。

E[Ws] = P[W]*t[s]

パラメーター設定を変更すると、結果の関数が変化します。これにより、所定のサンプル体積（V）で特定の結果値を得るために必要なエネルギー量（E）が変化します。そのため、結果を得るには、プロセスに一定出力の超音波を適用するだけでは不十分です。必要な出力と、その出力を処理対象の材料に投入する際のパラメーター設定を特定するには、より高度なアプローチが必要です。（Hielscher 2005）

超音波支援によるバイオエタノール生産

超音波がバイオエタノール生産を改善することは、すでに知られています。バイオマスを用いて液体を濃厚化し、ポンプで送液できる範囲で高粘度のスラリーにすることを推奨します。超音波リアクターはかなり高い固形分濃度を扱えるため、超音波処理プロセスを最も効率的に運転できます。スラリーに含まれる材料が多いほど、超音波処理の恩恵を受けないキャリア液の処理量は少なくなります。熱力学の法則により、液体へのエネルギー投入は液体の加熱を引き起こすため、これは超音波エネルギーを可能な限り対象材料に適用することを意味します。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を回避できます。
超音波は細胞内物質の 抽出 を支援し、その物質を酵素発酵に利用できるようにします。穏やかな超音波処理は酵素活性を高めることができますが、バイオマスからの抽出には、より強い超音波が必要です。強い超音波は酵素を不活化し、これは望ましくない作用であるため、酵素は超音波処理後にバイオマススラリーへ添加する必要があります。

科学研究で得られた現在の結果：

稲わらからのバイオエタノール生産に関するYoswathana et al.（2010）の研究では、酵素処理の前に酸による前処理と超音波処理を組み合わせることで、糖収率が最大44%（稲わら基準）まで高まることが示されています。これは、リグノセルロース系材料を酵素加水分解によって糖に変換する前に、物理的前処理と化学的前処理を組み合わせることの有効性を示しています。 

グラフ2は、稲わらからのバイオエタノール生産における超音波照射の有益な効果を図示したものです。（酸/酵素による前処理および超音波前処理を施したサンプルの解毒には、木炭が使用されています。）

別の最近の研究では、β-ガラクトシダーゼ酵素の細胞外および細胞内の量に対する超音波処理の影響が調べられました。Sulaiman et al.（2011）は、制御された温度下で超音波を使用し、酵母Kluyveromyces marxianus（ATCC 46537）の増殖を促進することで、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ました。論文の著者らは、デューティサイクル≤20%での高出力超音波（20 kHz）による間欠的な超音波処理が、比較的高い超音波処理強度11.8Wcm²で、K. marxianusのバイオマス生産、乳糖代謝、エタノール生産を促進したとまとめています。最良の条件下では、超音波処理によって最終エタノール濃度が対照群に対してほぼ3.5倍に高まりました。これはエタノール生産性の3.5倍の向上に相当しましたが、超音波処理によって培養液一立方メートル当たり952Wの追加電力投入が必要でした。この追加のエネルギー要件は、確実にバイオリアクターの許容される運転基準の範囲内であり、高付加価値製品では、生産性の向上によって容易に補うことができました。

結論：超音波支援発酵の利点

超音波処理は、バイオエタノール収率を高める効率的で革新的な技術であることが示されています。超音波は主に、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使用されます。

• バイオエタノール収率の増加
• 崩壊/細胞破壊と細胞内物質の放出
• 嫌気性分解の改善
• 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プロセス効率の改善

簡単な試験、再現可能なスケールアップ、容易な設置（既存の生産ラインにも設置可能）により、超音波は収益性が高く効率的な技術となっています。商業的処理向けの信頼性の高い工業用超音波プロセッサーが利用でき、事実上無制限の液体体積を超音波処理できます。