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、複雑な炭水化物をより単純な糖に分解し、酵母がエタノールに変換するのをより容易に利用できるようにすることで、バイオエタノールの生産を強化することができます。同時に、超音波処理は酵母細胞壁の透過性の効率も向上させ、エタノールの放出を早め、全体的な生産量を増やすことができます。これにより、超音波支援バイオエタノール発酵により、より高い変換率とより高い収率が得られます。

発酵

発酵は、好気性(=酸化発酵)または嫌気性プロセスであり得、これは、細菌、真菌、または他の生物学的細胞培養または酵素によって有機材料を変換するためのバイオテクノロジーアプリケーションに使用されます。発酵により、炭水化物などの有機化合物の酸化からエネルギーが抽出されます。
砂糖は発酵の最も一般的な基質であり、乳酸、乳糖、エタノール、水素などの製品で発酵した後に生じます。アルコール発酵の場合、エタノール–特に燃料としての使用だけでなく、アルコール飲料にも使用できます – 発酵によって生産されます。特定の酵母株、例えば 出芽酵母 糖を代謝すると、酵母細胞は出発物質をエタノールと二酸化炭素に変換します。

以下の化学式は、変換を要約したものです。

化学式は、バイオエタノールへの変換をまとめたものです。

出発材料がでんぷん、例えばトウモロコシからの場合、まずでんぷんを砂糖に変換する必要があります。バイオエタノールを燃料として使用する場合、デンプン転換のための加水分解が必要です。通常、加水分解は、酸性処理または酵素処理、あるいは両方の組み合わせによって加速されます。通常、発酵は35〜40°C程度で行われます。
さまざまな発酵プロセスの概要:

食べ物：

• 生産 & 保存
• 乳製品(乳酸発酵)、ヨーグルト、バターミルク、ケフィアなど
• 乳酸発酵野菜(キムチ、味噌、納豆、漬物、ザワークラウトなど)
• 醤油などの芳香族化合物の開発
• なめし剤(お茶、ココア、コーヒー、タバコなど)の分解
• アルコール飲料(例:ビール、ワイン、ウイスキー)

薬：

• インスリン、ヒアルロン酸などの医療化合物の製造

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

ベンチトップおよびパイロットサイズのさまざまな研究論文およびテストは、超音波が酵素発酵により多くのバイオマスを利用できるようにすることで発酵プロセスを改善することを示しています。次のセクションでは、液体中の超音波の影響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/低周波超音波により、高振幅を生成することができます。これにより、高出力/低周波超音波を、混合、乳化、分散、解凝集、または粉砕などの液体の処理に使用できます。
高強度で液体を超音波処理すると、液体媒体に伝播する音波により、周波数に応じた速度で高圧(圧縮)サイクルと低圧(希薄化)サイクルが交互に発生します。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隙を生成します。気泡がエネルギーを吸収できなくなった体積に達すると、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。 キャビテーションそれです “液体中の気泡の形成、成長、および爆縮性崩壊。キャビテーション崩壊は、激しい局所加熱(~5000 K)、高圧(~1000 atm)、および膨大な加熱および冷却速度(>109 K/秒)” そして液体ジェットストリーム(~400 km/h)」。(サスリック1998)

バイオエタノール生産で例示的に説明された発酵プロセスを改善するための超音波

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細菌や好気性細菌によって分解されたものです。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ます。 そのため、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代替品となっています。
バイオマスからエタノールを製造するには、砂糖、デンプン、およびリグノセルロース材料を原料として使用できます。工業生産規模では、砂糖とでんぷんが経済的に有利であるため、現在優勢です。
超音波が特定の条件下で特定の原料を使用する顧客個々のプロセスをどのように改善するかは、実現可能性テスト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、超音波による少量の原料スラリーの超音波処理 実験装置 超音波が原料に影響を与えるかどうかが表示されます。

実現可能性テスト

最初の試験段階では、比較的大量の超音波エネルギーを少量の液体に導入するのが適しており、それにより結果が得られるかどうかを確認する機会が増えます。また、サンプル量が少ないため、ラボデバイスの使用時間が短縮され、最初のテストのコストが削減されます。
超音波は、ソノトロードの表面から液体に伝達されます。ソノトロード表面の下には、超音波強度が最も強くなります。これにより、ソノトロードと超音波処理された材料との間の短い距離が好ましい。少量の液体が露出すると、ソノトロードからの距離を短く保つことができます。
以下の表は、最適化後の超音波処理プロセスの典型的なエネルギー/体積レベルを示しています。最初の試行は最適な構成で実行されないため、超音波処理の強度と時間を標準値の10〜50倍にすると、超音波処理された材料に何らかの影響があるかどうかがわかります。

テーブル 1 – プロセス最適化後の典型的な超音波処理値

テストランの実際の電力入力は、統合されたデータ記録(UP200HTの およびUP200St)、PCインターフェースまたはパワーメーターによる。振幅設定と温度の記録データと組み合わせることで、各試行の結果を評価し、エネルギー/体積の最終的な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、この構成パフォーマンスは最適化ステップで検証でき、最終的に商用レベルにスケールアップできます。最適化を容易にするために、超音波処理の限界、例えば、特定の製剤の温度、振幅またはエネルギー/体積も調べることを強くお勧めします。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制限するために、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、このような試験の機器やサンプルの費用を制限するために、小規模なラボまたはベンチトップユニットをお勧めします。一般に、100〜1,000ワットのユニットは、フィージビリティスタディの目的に非常に適しています。(ヒールシャー2005参照)

最適化

実現可能性調査中に達成された結果は、処理された少量に関して非常に高いエネルギー消費を示している可能性があります。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影響を示すことです。フィージビリティテストでプラスの効果が発生した場合は、エネルギー/体積比を最適化するためにさらなる努力を払う必要があります。これは、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、可能な限り少ないエネルギーを使用して最高の収率を達成するための超音波パラメータの理想的な構成を探求することを意味します。最適なパラメータ設定を見つけるには – 最小限のエネルギー入力で意図した利点を得る - 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 組成を調査する必要があります。この第2のステップでは、圧力の重要なパラメータがバッチ超音波処理に影響を与えることができないため、バッチ超音波処理からフローセル反応器を使用した連続超音波処理セットアップへの変更が推奨されます。バッチでの超音波処理中、圧力は周囲圧力に制限されます。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と、圧力が上昇(または低下)する可能性があり、これは一般に超音波に影響を与えます キャビテーション 大幅。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判断できます。間の超音波プロセッサ 500ワット そして 2000ワット の電力は、プロセスを最適化するのに最も適しています。

商業生産へのスケールアップ

最適な構成が見つかった場合、超音波プロセスのように、さらなる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、超音波を同一の処理パラメータ構成の下で同一の液体製剤に適用すると、処理の規模に関係なく同一の結果を得るためには、体積当たりの同じエネルギーが必要になることを意味します。(ヒールシャー2005)。これにより、超音波の最適なパラメータ構成をフルスケールの製品サイズに実装することが可能になります。事実上、超音波で処理できる量は無制限です。最大で 16,000ワット ユニットあたりが利用可能で、クラスターにインストールできます。このような超音波プロセッサのクラスタは、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のクラスタごとのインストールにより、総電力はほぼ無制限であるため、大量のストリームを問題なく処理できます。また、超音波システムの適応が必要な場合、例えば、パラメータを改変された液体製剤に調整する場合、これは主にソノトロード、ブースターまたはフローセルを変更することによって行うことができる。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の高いものとなっています。

超音波処理のパラメータ

超音波液体処理は、いくつかのパラメータ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、および濃度です。特定のパラメータ構成の粒子サイズなどの処理結果は、処理された体積あたりのエネルギーの関数です。この機能は、個々のパラメータの変更に伴って変化します。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、パラメータによって異なります。ソノトロードの表面積あたりの出力は、表面強度(I)です。表面強度は、振幅(A)、圧力(p)、反応器の容積(VR)、温度(T)、粘度(η)などによって異なります。

超音波処理のキャビテーションの影響は、振幅(A)、圧力(p)、反応器の容積(VR)、温度(T)、粘度(η)などで表される表面強度に依存します。プラス記号とマイナス記号は、超音波処理強度に対する特定のパラメータのプラスまたはマイナスの影響を示します。

生成されたキャビテーションの影響は、表面強度によって異なります。同様に、プロセス結果は相関します。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] 私 [w / ミリメートル²]* s[ミリメートル²]

振幅

振動の振幅は、ソノトロード表面が特定の時間(たとえば、20kHzで1/20,000s)に移動する方法(たとえば、50μm)を表します。振幅が大きいほど、各ストロークで圧力が下降および増加する速度が高くなります。それに加えて、各ストロークの体積変位が増加し、キャビテーション体積(気泡のサイズや数)が大きくなります。分散液に適用すると、振幅が大きいほど固体粒子に対する破壊力が高くなります。表1は、一部の超音波プロセスの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します。圧力が高いほど沸点が高くなり、逆になります。圧力が上昇すると、沸点に近いまたはそれ以上の温度でキャビテーションが可能になります。また、気泡内の静圧と蒸気圧の差に関連する爆縮の強度も増加します (cf. Vercet et al. 1999)。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、定圧ポンプが好ましい。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の流れを処理できる必要があります。ダイヤフラムまたはメンブレンポンプ;フレキシブルチューブ、ホース、またはスクイーズポンプ。蠕動ポンプ;または、ピストンまたはプランジャーポンプは交互の圧力変動を引き起こします。遠心ポンプ、ギアポンプ、スパイラルポンプ、および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プログレッシブキャビティポンプが好ましい。(ヒールシャー2005)

温度

液体を超音波処理することにより、電力が媒体に伝達されます。超音波で生成された振動が乱流と摩擦を引き起こすと、超音波処理された液体 - 熱力学の法則に従って – 熱くなります。処理された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す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(写真を参照)。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。少量のビーカー超音波処理には、熱放散のための氷浴が推奨されます。

粘度と濃度

超音波 製粉 そして 分散 液体プロセスです。粒子は、水、油、溶剤、樹脂などの懸濁液中に存在する必要があります。超音波フロースルーシステムの使用により、非常に粘性のあるペースト状の材料を超音波処理することが可能になります。
高出力超音波プロセッサは、かなり高い固形分濃度で実行できます。高濃度は、超音波フライス加工効果が粒子間衝突によって引き起こされるため、超音波処理の有効性を提供します。調査によると、シリカの破損率は、重量で50%までの固形分濃度とは無関係であることが示されています。高濃度の材料比を持つマスターバッチの処理は、超音波処理を使用した一般的な製造手順です。

パワーとインテンシティ vs. エネルギー

表面強度と総電力は、処理の強度を表すだけです。超音波処理されたサンプル量と特定の強度での曝露時間は、それをスケーラブルで再現性のあるものにするために、超音波処理プロセスを説明するために考慮する必要があります。特定のパラメータ構成では、粒子サイズや化学変換などのプロセス結果は、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、電力出力(P)と曝露時間(t)の積です。

E[WSの] = p[w]*t[s]

パラメータ設定を変更すると、result 関数が変更されます。これにより、特定のサンプル値(V)が特定の結果値を取得するために必要なエネルギー量(E)が変化します。このため、結果を得るためには、超音波の特定の力をプロセスに展開するだけでは不十分です。必要な電力と、その電力をプロセス材料に投入するパラメータ構成を特定するには、より高度なアプローチが必要です。(ヒールシャー2005)

バイオエタノールの超音波支援生産

超音波がバイオエタノールの生産を改善することはすでに知られています。バイオマスで液体を濃くし、ポンプで送ることができる高粘度のスラリーにすることをお勧めします。超音波反応器はかなり高い固体濃度を扱うことができるので、超音波処理プロセスを最も効率的に実行できます。スラリーに含まれる材料が多いほど、超音波処理プロセスから利益を得ないキャリア液体が少なくなります。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ため、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。このような効率的なプロセス設計により、余分なキャリア液体の無駄な加熱が回避されます。
超音波は、 抽出 細胞内材料の そしてそれによりそれを酵素発酵のために利用可能にする。軽度の超音波治療は酵素活性を高めることができますが、バイオマス抽出にはより強力な超音波が必要になります。したがって、強力な超音波が酵素を不活性化するため、超音波処理後に酵素をバイオマススラリーに添加する必要がありますが、これは望ましくない効果です。

科学研究によって達成された現在の結果:

ヨスワタナら(2010)のイネワラからのバイオエタノール生産に関する研究では、酸前処理と酵素処理前の超音波処理の組み合わせにより、糖収率が最大44%増加することが示されました(稲わらベース)。これは、リグノセルロース材料を糖に酵素的に加水分解する前の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ています。

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プラスの効果をグラフで示しています。(酸/酵素前処理および超音波前処理から前処理されたサンプルを無害化するために木炭が使用されています。

図表2 – 発酵中のエタノール収率の超音波増強(Yoswathana et al. 2010)

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レベルに対する超音波処理の影響が検討されています。Sulaiman et al. (2011) は、制御された温度で超音波を使用して Kluyveromyces marxianus (ATCC 46537) の酵母増殖を刺激することにより、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ました。この論文の著者らは、≤20%のデューティサイクルでのパワー超音波(20kHz)による断続的な超音波処理が、K. marxianusのバイオマス生産、ラクトース代謝、およびエタノール生産を11.8Wcmの比較的高い超音波処理強度で刺激したことを再開します⁻².最良の条件下では、超音波処理は最終エタノール濃度を対照と比較してほぼ3.5倍増加させた。これは、エタノール生産性の3.5倍の向上に対応していましたが、超音波処理によるブロス1立方メートル当たり952Wの追加電力入力が必要でした。このエネルギーの追加要件は、バイオリアクターの許容可能な運用基準の範囲内であり、高価値製品の場合、生産性の向上によって簡単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、バイオエタノールの収率を高めるための効率的で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、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向上
• 細胞の解体/細胞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向上

簡単なテスト、再現性のあるスケールアップ、簡単な設置(既存の生産ストリームでも)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。商用処理用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量を超音波処理することを可能にします。