ულტრაბგერითი დამხმარე ფერმენტაცია ბიოეთანოლის წარმოებისთვის

ულტრაბგერითი დახმარებით ფერმენტაციამ შეიძლება გააძლიეროს ბიოეთანოლის წარმოება რთული ნახშირწყლების დაშლის ხელშეწყობით უფრო მარტივ შაქარში, რაც მათ უფრო ადვილად აქცევს საფუარის ეთანოლად გადაქცევას. ამავდროულად, sonication ასევე აუმჯობესებს საფუარის უჯრედის კედლის გამტარიანობის ეფექტურობას, რაც საშუალებას იძლევა უფრო სწრაფად გათავისუფლდეს ეთანოლი და გაზარდოს მთლიანი წარმოება. ამრიგად, ულტრაბგერითი დახმარებით ბიოეთანოლის დუღილი იწვევს კონვერტაციის მაღალ სიჩქარეს და გაძლიერებულ მოსავლიანობას.

ფერმენტაცია

დუღილი შეიძლება იყოს აერობული (= ჟანგვითი დუღილი) ან ანაერობული პროცესი, რომელიც გამოიყენება ბიოტექნოლოგიურ აპლიკაციებში ორგანული მასალის გარდაქმნის მიზნით ბაქტერიული, სოკოვანი ან სხვა ბიოლოგიური უჯრედული კულტურებით ან ფერმენტებით. დუღილის შედეგად ენერგია მიიღება ორგანული ნაერთების, მაგ. ნახშირწყლების დაჟანგვიდან.
შაქარი დუღილის ყველაზე გავრცელებული სუბსტრატია, რომელიც წარმოიქმნება დუღილის შემდეგ ისეთ პროდუქტებში, როგორიცაა რძემჟავა, ლაქტოზა, ეთანოლი და წყალბადი. ალკოჰოლური დუღილისთვის, ეთანოლი - განსაკუთრებით საწვავად, მაგრამ ასევე ალკოჰოლური სასმელებისთვის – წარმოიქმნება დუღილის შედეგად. როდესაც გარკვეული საფუარის შტამები, როგორიცაა saccharomyces cerevisiae ახდენს შაქრის მეტაბოლიზებას, საფუარის უჯრედები საწყის მასალას გარდაქმნის ეთანოლად და ნახშირორჟანგად.

ქვემოთ მოყვანილი ქიმიური განტოლებები აჯამებს გარდაქმნას:

თუ საწყისი მასალა სახამებელია, მაგ. სიმინდისგან, ჯერ სახამებელი უნდა გადაკეთდეს შაქარში. საწვავად გამოყენებული ბიოეთანოლისთვის საჭიროა ჰიდროლიზი სახამებლის გარდაქმნისთვის. როგორც წესი, ჰიდროლიზი დაჩქარებულია მჟავე ან ფერმენტული დამუშავებით ან ორივეს კომბინაციით. ჩვეულებრივ, დუღილი ტარდება დაახლოებით 35-40 °C ტემპერატურაზე.
მიმოხილვა სხვადასხვა ფერმენტაციის პროცესებზე:

კვება:

• წარმოება & კონსერვაცია
• რძის პროდუქტები (რძის მჟავა დუღილი), მაგ: იოგურტი, კეფირი
• რძემჟავა ფერმენტირებული ბოსტნეული, მაგ. კიმჩი, მისო, ნატო, ცუკემონო, მჟავე კომბოსტო
• არომატული ნივთიერებების განვითარება, მაგ. სოიოს სოუსი
• მთრიმლავი საშუალებების დაშლა, მაგ. ჩაი, კაკაო, ყავა, თამბაქო
• ალკოჰოლური სასმელები, მაგ. ლუდი, ღვინო, ვისკი

ნარკოტიკები:

• სამედიცინო ნაერთების წარმოება, მაგ. ინსულინი, ჰიალურონის მჟავა

ბიოგაზი/ეთანოლი:

• ბიოგაზის/ბიოეთანოლის წარმოების გაუმჯობესება

სხვადასხვა კვლევითმა ნაშრომებმა და ტესტებმა აჩვენა, რომ ულტრაბგერითი აუმჯობესებს დუღილის პროცესს ფერმენტული დუღილისთვის მეტი ბიომასის მიწოდებით. შემდეგ განყოფილებაში განხილული იქნება ულტრაბგერის ეფექტები სითხეში.

ულტრაბგერითი სითხის დამუშავების ეფექტი

მაღალი სიმძლავრის/დაბალი სიხშირის ულტრაბგერითი შეიძლება შეიქმნას მაღალი ამპლიტუდები. ამრიგად, მაღალი სიმძლავრის/დაბალი სიხშირის ულტრაბგერითი შეიძლება გამოყენებულ იქნას სითხეების დასამუშავებლად, როგორიცაა შერევა, ემულგირება, დისპერსირება და დეაგლომერაცია, ან დაფქვა.
სითხეების მაღალი ინტენსივობით გაჟღერებისას, ხმის ტალღები, რომლებიც ვრცელდება თხევად მედიაში, იწვევს მაღალი წნევის (შეკუმშვის) და დაბალი წნევის (იშვიათობის) ციკლების მონაცვლეობას, სიხშირეები დამოკიდებულია სიხშირეზე. დაბალი წნევის ციკლის დროს, მაღალი ინტენსივობის ულტრაბგერითი ტალღები ქმნიან პატარა ვაკუუმურ ბუშტებს ან სიცარიელეს სითხეში. როდესაც ბუშტები აღწევენ მოცულობას, რომლითაც ისინი ვეღარ შთანთქავენ ენერგიას, ისინი ძალად იშლება მაღალი წნევის ციკლის დროს. ამ ფენომენს კავიტაცია ეწოდება. კავიტაცია, ანუ “სითხეში ბუშტების წარმოქმნა, ზრდა და ამოფრქვევა. კავიტაციური კოლაფსი წარმოქმნის ინტენსიურ ადგილობრივ გათბობას (~5000 K), მაღალ წნევას (~1000 ატმ) და გათბობისა და გაგრილების უზარმაზარ სიჩქარეს.>109 კ/წმ)” და თხევადი რეაქტიული ნაკადები (~400 კმ/სთ)“. (სუსლიკი 1998)

არსებობს კავიტაციის შესაქმნელად სხვადასხვა საშუალებები, როგორიცაა მაღალი წნევის საქშენები, როტორ-სტატორის მიქსერები ან ულტრაბგერითი პროცესორები. ყველა ამ სისტემაში შეყვანის ენერგია გარდაიქმნება ხახუნად, ტურბულენტებად, ტალღებად და კავიტაციად. შემავალი ენერგიის ფრაქცია, რომელიც გარდაიქმნება კავიტაციად, დამოკიდებულია რამდენიმე ფაქტორზე, რომლებიც აღწერს კავიტაციის წარმომქმნელი აღჭურვილობის მოძრაობას სითხეში. აჩქარების ინტენსივობა არის ერთ-ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი ფაქტორი, რომელიც გავლენას ახდენს ენერგიის ეფექტურ გარდაქმნაზე კავიტაციაში. უფრო მაღალი აჩქარება იწვევს წნევის უფრო მაღალ განსხვავებებს. ეს თავის მხრივ ზრდის სითხეში გავრცელებული ტალღების შექმნის ნაცვლად ვაკუუმის ბუშტების შექმნის ალბათობას. ამრიგად, რაც უფრო მაღალია აჩქარება, მით მეტია ენერგიის წილი, რომელიც გარდაიქმნება კავიტაციაში.
ულტრაბგერითი გადამცემის შემთხვევაში, რხევის ამპლიტუდა აღწერს აჩქარების ინტენსივობას. უფრო მაღალი ამპლიტუდები იწვევს კავიტაციის უფრო ეფექტურ შექმნას. ინტენსივობის გარდა, სითხე უნდა აჩქარდეს ისე, რომ შეიქმნას მინიმალური დანაკარგები ტურბულენტობის, ხახუნის და ტალღების წარმოქმნის თვალსაზრისით. ამისთვის ოპტიმალური გზაა მოძრაობის ცალმხრივი მიმართულება. ხმოვანი პროცესის ინტენსივობისა და პარამეტრების შეცვლა, ულტრაბგერითი შეიძლება იყოს ძალიან რთული ან ძალიან რბილი. ეს ხდის ულტრაბგერას ძალიან მრავალმხრივ ინსტრუმენტად სხვადასხვა აპლიკაციებისთვის.

რბილ აპლიკაციებს, რბილ პირობებში რბილ ხმოვან გამოყენებას, მოიცავს გაზავება, ემულგირებადიდა ფერმენტების გააქტიურება. მძიმე აპლიკაციები მაღალი ინტენსივობის/მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერითი (ძირითადად მაღალი წნევის ქვეშ) არის სველი-ფრეზირება, დეაგლომერაცია & ნაწილაკების ზომის შემცირება და დარბევა. მრავალი აპლიკაციისთვის, როგორიცაა ექსტრაქცია, დაშლა ან სონოქიმია, მოთხოვნილი ულტრაბგერითი ინტენსივობა დამოკიდებულია კონკრეტულ მასალაზე, რომელიც უნდა გაჟღერდეს. პარამეტრების მრავალფეროვნებით, რომლებიც შეიძლება ადაპტირდეს ინდივიდუალურ პროცესზე, ულტრაბგერითი საშუალებას გაძლევთ იპოვოთ ტკბილი წერტილი თითოეული ინდივიდუალური პროცესისთვის.
გარდა გამოჩენილი სიმძლავრის გარდაქმნისა, ულტრაბგერითი უზრუნველყოფს სრულ კონტროლს ყველაზე მნიშვნელოვან პარამეტრებზე: ამპლიტუდა, წნევა, ტემპერატურა, სიბლანტე და კონცენტრაცია. ეს გთავაზობთ ყველა ამ პარამეტრის რეგულირების შესაძლებლობას იმისათვის, რომ იპოვოთ იდეალური დამუშავების პარამეტრები თითოეული კონკრეტული მასალისთვის. ეს იწვევს უფრო მაღალ ეფექტურობას და ასევე ოპტიმიზებულ ეფექტურობას.

ულტრაბგერითი დუღილის პროცესების გასაუმჯობესებლად, სამაგალითოდ ახსნილი ბიოეთანოლის წარმოებით

ბიოეთანოლი არის ანაერობული ან აერობული ბაქტერიების მიერ ბიომასის ან ნარჩენების ბიოდეგრადირებადი ნივთიერებების დაშლის პროდუქტი. წარმოებული ეთანოლი ძირითადად გამოიყენება ბიოსაწვავად. ეს აქცევს ბიოეთანოლს განახლებად და ეკოლოგიურად სუფთა ალტერნატივად წიაღისეული საწვავისთვის, როგორიცაა ბუნებრივი აირი.
ბიომასისგან ეთანოლის წარმოებისთვის შეიძლება გამოყენებულ იქნას შაქარი, სახამებელი და ლიგნოცელულოზური მასალა. სამრეწველო წარმოების ზომით, შაქარი და სახამებელი ამჟამად ჭარბობს, რადგან ისინი ეკონომიკურად ხელსაყრელია.
როგორ აუმჯობესებს ულტრაბგერითი ინდივიდუალურ პროცესს მომხმარებლისთვის სპეციფიკური საკვების მიწოდებით მოცემულ პირობებში, ეს შეიძლება ძალიან მარტივი იყოს ტექნიკურ-ეკონომიკური ტესტირებით. პირველ ეტაპზე, მცირე რაოდენობით ნედლეულის ნალექის გაჟღერება ულტრაბგერითი საშუალებით ლაბორატორიული მოწყობილობა გამოჩნდება, თუ ულტრაბგერითი იმოქმედებს საკვებ მასალაზე.

მიზანშეწონილობის ტესტირება

პირველ ტესტირების ფაზაში, მიზანშეწონილია ულტრაბგერითი ენერგიის შედარებით მაღალი ოდენობის შეყვანა მცირე მოცულობის სითხეში, რადგან ამით შანსი იზრდება, რომ ნახოთ, შესაძლებელია თუ არა რაიმე შედეგის მიღება. ნიმუშის მცირე მოცულობა ასევე ამცირებს ლაბორატორიული მოწყობილობის გამოყენების დროს და ამცირებს პირველი ტესტების ხარჯებს.
ულტრაბგერითი ტალღები გადაიცემა სონოტროდის ზედაპირით სითხეში. სონოტროდის ზედაპირის ქვეშ, ულტრაბგერითი ინტენსივობა ყველაზე ინტენსიურია. ამრიგად, სასურველია მოკლე დისტანციები სონოტროდსა და გაჟღენთილ მასალას შორის. მცირე სითხის მოცულობის გამოვლენისას, მანძილი სონოტროდიდან შეიძლება იყოს მოკლე.
ქვემოთ მოყვანილი ცხრილი გვიჩვენებს ტიპიური ენერგიის/მოცულობის დონეებს ოპტიმიზაციის შემდეგ ხმოვანი პროცესებისთვის. ვინაიდან პირველი ცდები არ ჩატარდება ოპტიმალური კონფიგურაციით, ბგერითი ინტენსივობა და დრო ტიპიური მნიშვნელობის 10-დან 50-ჯერ გვიჩვენებს, აქვს თუ არა რაიმე ეფექტი გაჟღენთილ მასალაზე.

პროცესი	ენერგია/ მოცულობა	ნიმუშის მოცულობა	Ძალა	დრო
მარტივი	< 100 Ws/mL	10 მლ	50 ვტ	< 20 წმ
საშუალო	100Ws/mL-დან 500Ws/mL-მდე	10 მლ	50 ვტ	20-დან 100 წმ-მდე
მძიმე	> 500 Ws/mL	10 მლ	50 ვტ	>100 წმ

ცხრილი 1 – ტიპიური ხმოვანი მნიშვნელობები პროცესის ოპტიმიზაციის შემდეგ

სატესტო გაშვებების ფაქტობრივი შეყვანის სიმძლავრე შეიძლება ჩაიწეროს მონაცემთა ინტეგრირებული ჩაწერის საშუალებით (UP200Ht და UP200St), კომპიუტერის ინტერფეისი ან სიმძლავრის საზომით. ამპლიტუდის დაყენებისა და ტემპერატურის ჩაწერილ მონაცემებთან ერთად, თითოეული ცდის შედეგები შეიძლება შეფასდეს და შეიძლება დადგინდეს ენერგიის/მოცულობის ქვედა ხაზი.
თუ ტესტების დროს არჩეულია ოპტიმალური კონფიგურაცია, ეს კონფიგურაციის შესრულება შეიძლება დამოწმებული იყოს ოპტიმიზაციის საფეხურზე და საბოლოოდ გაფართოვდეს კომერციულ დონეზე. ოპტიმიზაციის გასაადვილებლად, რეკომენდირებულია გამოკვლეული იქნას ბგერითი მოქმედების საზღვრები, მაგ. ტემპერატურა, ამპლიტუდა ან ენერგია/მოცულობა კონკრეტული ფორმულირებისთვისაც. ვინაიდან ულტრაბგერითი შეიძლება გამოიწვიოს ნეგატიური ეფექტები უჯრედებზე, ქიმიკატებზე ან ნაწილაკებზე, საჭიროა თითოეული პარამეტრის კრიტიკული დონეების შესწავლა, რათა შეიზღუდოს შემდეგი ოპტიმიზაცია პარამეტრის დიაპაზონში, სადაც უარყოფითი ეფექტები არ შეინიშნება. ტექნიკურ-ეკონომიკური დასაბუთებისთვის რეკომენდებულია მცირე ლაბორატორია ან სკამზე მომუშავე დანაყოფები, რათა შეზღუდონ აღჭურვილობისა და ნიმუშების ხარჯები ასეთ ცდებში. ზოგადად, 100-დან 1000 ვატამდე ერთეული ძალიან კარგად ემსახურება ტექნიკურ-ეკონომიკური კვლევის მიზნებს. (შდრ. Hielscher 2005)

ოპტიმიზაცია

ტექნიკურ-ეკონომიკური კვლევების დროს მიღწეულმა შედეგებმა შეიძლება აჩვენოს ენერგიის საკმაოდ მაღალი მოხმარება დამუშავებული მცირე მოცულობის მიმართ. მაგრამ ტექნიკურ-ეკონომიკური ტესტის მიზანი, უპირველეს ყოვლისა, არის ულტრაბგერითი ეფექტის ჩვენება მასალაზე. თუ ტექნიკურ-ეკონომიკური ტესტირებისას დადებითი ეფექტი მოხდა, შემდგომი ძალისხმევა უნდა განხორციელდეს ენერგიის/მოცულობის თანაფარდობის ოპტიმიზაციისთვის. ეს ნიშნავს, რომ შევისწავლოთ ულტრაბგერითი პარამეტრების იდეალური კონფიგურაცია, რათა მივაღწიოთ მაქსიმალურ მოსავალს ნაკლები ენერგიის გამოყენებით, რათა პროცესი ეკონომიკურად ყველაზე გონივრული და ეფექტური გახდეს. პარამეტრის ოპტიმალური კონფიგურაციის მოსაძებნად – მიზანმიმართული სარგებლის მიღება მინიმალური ენერგიის შეყვანით - კორელაცია ყველაზე მნიშვნელოვან პარამეტრებს შორის ამპლიტუდა, წნევა, ტემპერატურა და თხევადი შემადგენლობა უნდა იყოს გამოკვლეული. ამ მეორე საფეხურზე რეკომენდირებულია ცვლილება სერიული სონიკირებიდან უწყვეტი სონიკაციის დაყენებაზე ნაკადის უჯრედის რეაქტორით, რადგან არ შეიძლება გავლენა იქონიოს წნევის მნიშვნელოვან პარამეტრზე სერიული გაჟონვისთვის. პარტიაში გაჟღერების დროს წნევა შემოიფარგლება ატმოსფერული წნევით. თუ ბგერითი პროცესი გადის ზეწოლის ქვეშ მყოფი ნაკადის უჯრედის კამერას, წნევა შეიძლება გაიზარდოს (ან შემცირდეს), რაც ზოგადად გავლენას ახდენს ულტრაბგერით კავიტაცია მკვეთრად. ნაკადის უჯრედის გამოყენებით, შეიძლება განისაზღვროს კორელაცია წნევასა და პროცესის ეფექტურობას შორის. ულტრაბგერითი პროცესორები შორის 500 ვატი და 2000 ვატი სიმძლავრე ყველაზე შესაფერისია პროცესის ოპტიმიზაციისთვის.

მასშტაბები კომერციულ წარმოებამდე

თუ ოპტიმალური კონფიგურაცია იქნა ნაპოვნი, შემდგომი მასშტაბირება მარტივია, როგორც ულტრაბგერითი პროცესები სრულად რეპროდუცირებადი ხაზოვანი მასშტაბით. ეს ნიშნავს, რომ როდესაც ულტრაბგერითი გამოიყენება იდენტური თხევადი ფორმულირებისთვის იდენტური დამუშავების პარამეტრის კონფიგურაციის პირობებში, იგივე ენერგიაა საჭირო თითო მოცულობაზე, რათა მივიღოთ იდენტური შედეგი დამუშავების მასშტაბისგან დამოუკიდებლად. (Hilscher 2005). ეს შესაძლებელს ხდის ულტრაბგერის ოპტიმალური პარამეტრის კონფიგურაციის განხორციელებას სრული მასშტაბის წარმოების ზომამდე. პრაქტიკულად, მოცულობა, რომელიც შეიძლება დამუშავდეს ულტრაბგერითი, შეუზღუდავია. კომერციული ულტრაბგერითი სისტემები მდე 16000 ვატი თითო ერთეულზე ხელმისაწვდომია და შეიძლება დამონტაჟდეს კლასტერებში. ულტრაბგერითი პროცესორების ასეთი კლასტერები შეიძლება დამონტაჟდეს პარალელურად ან სერიულად. მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერითი პროცესორების კლასტერული დაყენებით, მთლიანი სიმძლავრე თითქმის შეუზღუდავია, რათა მაღალი მოცულობის ნაკადები დამუშავდეს უპრობლემოდ. ასევე, თუ საჭიროა ულტრაბგერითი სისტემის ადაპტაცია, მაგ., პარამეტრების მორგება მოდიფიცირებულ თხევად ფორმულირებაზე, ეს ძირითადად შეიძლება გაკეთდეს სონოტროდის, გამაძლიერებლის ან ნაკადის უჯრედის შეცვლით. ულტრაბგერის წრფივი მასშტაბურობა, განმეორებადობა და ადაპტირება ამ ინოვაციურ ტექნოლოგიას ეფექტურს და ეკონომიურს ხდის.

ულტრაბგერითი დამუშავების პარამეტრები

ულტრაბგერითი სითხის დამუშავება აღწერილია მრავალი პარამეტრით. ყველაზე მნიშვნელოვანია ამპლიტუდა, წნევა, ტემპერატურა, სიბლანტე და კონცენტრაცია. პროცესის შედეგი, როგორიცაა ნაწილაკების ზომა, მოცემული პარამეტრის კონფიგურაციისთვის არის ენერგიის ფუნქცია დამუშავებულ მოცულობაზე. ფუნქცია იცვლება ცალკეული პარამეტრების ცვლილებით. გარდა ამისა, ულტრაბგერითი ერთეულის სონოტროდის ზედაპირის ფაქტობრივი სიმძლავრე დამოკიდებულია პარამეტრებზე. სიმძლავრის გამომავალი თითო ზედაპირის ფართობზე sonotrode არის ზედაპირის ინტენსივობა (I). ზედაპირის ინტენსივობა დამოკიდებულია ამპლიტუდაზე (A), წნევაზე (p), რეაქტორის მოცულობაზე (VR), ტემპერატურაზე (T), სიბლანტეზე (η) და სხვა.

წარმოქმნილი კავიტაციის ზემოქმედება დამოკიდებულია ზედაპირის ინტენსივობაზე. ანალოგიურად, პროცესის შედეგი კორელაციაშია. ულტრაბგერითი დანადგარის მთლიანი სიმძლავრე არის ზედაპირის ინტენსივობის (I) და ზედაპირის ფართობის (S) პროდუქტი:

გვ [ვ] მე [ვ / მმ²]* ს[მმ²]

დიაპაზონი

რხევის ამპლიტუდა აღწერს გზას (მაგ. 50 μm) სონოტროდის ზედაპირი მოგზაურობს მოცემულ დროს (მაგ. 1/20,000 წმ 20 kHz-ზე). რაც უფრო დიდია ამპლიტუდა, მით უფრო მაღალია წნევა, რომლითაც იკლებს და იზრდება ყოველი დარტყმის დროს. გარდა ამისა, თითოეული დარტყმის მოცულობის გადაადგილება იზრდება, რაც იწვევს უფრო დიდ კავიტაციის მოცულობას (ბუშტის ზომა და/ან რაოდენობა). როდესაც გამოიყენება დისპერსიებზე, უფრო მაღალი ამპლიტუდები აჩვენებს უფრო მაღალ დესტრუქციულობას მყარი ნაწილაკების მიმართ. ცხრილი 1 გვიჩვენებს ზოგად მნიშვნელობებს ზოგიერთი ულტრაბგერითი პროცესისთვის.

წნევა

სითხის დუღილის წერტილი დამოკიდებულია წნევაზე. რაც უფრო მაღალია წნევა, მით უფრო მაღალია დუღილის წერტილი და პირიქით. ამაღლებული წნევა იძლევა კავიტაციის საშუალებას დუღილის წერტილთან ახლოს ან ზემოთ ტემპერატურაზე. ის ასევე ზრდის აფეთქების ინტენსივობას, რაც დაკავშირებულია ბუშტის შიგნით სტატიკური წნევისა და ორთქლის წნევის განსხვავებასთან (შდრ. Vercet et al. 1999). ვინაიდან ულტრაბგერითი სიმძლავრე და ინტენსივობა სწრაფად იცვლება წნევის ცვლილებებით, სასურველია მუდმივი წნევის ტუმბო. ნაკადის უჯრედში სითხის მიწოდებისას ტუმბოს უნდა შეეძლოს გაუმკლავდეს სითხის სპეციფიკურ ნაკადს შესაბამისი წნევით. დიაფრაგმის ან მემბრანის ტუმბოები; მოქნილი მილის, შლანგის ან შეკუმშვის ტუმბოები; პერისტალტიკური ტუმბოები; ან დგუშის ან დგუშის ტუმბო შექმნის წნევის ცვალებად რყევებს. სასურველია ცენტრიდანული ტუმბოები, გადაცემათა კოლოფის ტუმბოები, სპირალური ტუმბოები და პროგრესირებადი ღრუს ტუმბოები, რომლებიც აწვდიან ხმოვან სითხეს მუდმივად სტაბილური წნევით. (ჰილშერი 2005)

ტემპერატურა

სითხის გაჟღერებით, ძალა გადადის საშუალოში. ვინაიდან ულტრაბგერითი წარმოქმნილი რხევა იწვევს ტურბულენტობას და ხახუნს, ხმოვანი სითხე - თერმოდინამიკის კანონის შესაბამისად. – გაცხელდება. დამუშავებული საშუალების ამაღლებული ტემპერატურა შეიძლება იყოს დამანგრეველი მასალისთვის და შეამციროს ულტრაბგერითი კავიტაციის ეფექტურობა. ინოვაციური ულტრაბგერითი ნაკადის უჯრედები აღჭურვილია გამაგრილებელი ჟაკეტით (იხ. სურათი). ამით მოცემულია მასალის ტემპერატურის ზუსტი კონტროლი ულტრაბგერითი დამუშავების დროს. უფრო მცირე მოცულობის ჭიქის სონიკაციისთვის რეკომენდებულია ყინულის აბაზანა სითბოს გაფრქვევისთვის.

სიბლანტე და კონცენტრაცია

ულტრაბგერითი ფრეზირება და დარბევა თხევადი პროცესებია. ნაწილაკები უნდა იყოს სუსპენზიაში, მაგ. წყალში, ზეთში, გამხსნელებში ან ფისებში. ულტრაბგერითი ნაკადის სისტემების გამოყენებით, შესაძლებელი ხდება ძალიან ბლანტიანი, პასტის მასალის გაჟონვა.
მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერითი პროცესორი შეიძლება მუშაობდეს მყარი ნივთიერებების საკმაოდ მაღალ კონცენტრაციებზე. მაღალი კონცენტრაცია უზრუნველყოფს ულტრაბგერითი დამუშავების ეფექტურობას, რადგან ულტრაბგერითი დაფქვის ეფექტი გამოწვეულია ნაწილაკთა შორის შეჯახებით. გამოკვლევებმა აჩვენა, რომ სილიციუმის დიოქსიდის მსხვრევის სიჩქარე დამოუკიდებელია მყარი კონცენტრაციისგან წონით 50%-მდე. სამაგისტრო პარტიების დამუშავება უაღრესად კონცენტრირებული მასალის თანაფარდობით არის წარმოების საერთო პროცედურა ულტრაბგერითი გამოყენებით.

სიმძლავრე და ინტენსივობა ენერგიის წინააღმდეგ

ზედაპირის ინტენსივობა და მთლიანი სიმძლავრე მხოლოდ აღწერს დამუშავების ინტენსივობას. გაჟღენთილი ნიმუშის მოცულობა და გარკვეული ინტენსივობით ექსპოზიციის დრო უნდა იყოს გათვალისწინებული ხმოვანი პროცესის აღსაწერად, რათა ის მასშტაბირებადი და რეპროდუცირებადი გახდეს. მოცემული პარამეტრის კონფიგურაციისთვის პროცესის შედეგი, მაგ. ნაწილაკების ზომა ან ქიმიური გარდაქმნა, დამოკიდებული იქნება ენერგიაზე თითო მოცულობაზე (E/V).

შედეგი = ფ (ე /ვ )

სადაც ენერგია (E) არის გამომავალი სიმძლავრის (P) და ექსპოზიციის დროის (t) პროდუქტი.

ე[ვს] = გვ[ვ]*ტ[ს]

პარამეტრის კონფიგურაციის ცვლილებები შეცვლის შედეგის ფუნქციას. ეს თავის მხრივ ცვლის ენერგიის (E) რაოდენობას, რომელიც საჭიროა მოცემული ნიმუშის მნიშვნელობისთვის (V) კონკრეტული შედეგის მნიშვნელობის მისაღებად. ამ მიზეზით, შედეგის მისაღებად არ არის საკმარისი ულტრაბგერის გარკვეული სიმძლავრის გამოყენება პროცესზე. საჭიროა უფრო დახვეწილი მიდგომა, რათა დადგინდეს საჭირო სიმძლავრე და პარამეტრის კონფიგურაცია, რომლითაც სიმძლავრე უნდა იყოს გამოყენებული პროცესის მასალაში. (ჰილშერი 2005)

ულტრაბგერითი დახმარებით ბიოეთანოლის წარმოება

უკვე ცნობილია, რომ ულტრაბგერითი აუმჯობესებს ბიოეთანოლის გამომუშავებას. რეკომენდირებულია სითხის გასქელება ბიომასით ძლიერ ბლანტიან ხსნარამდე, რომელიც ჯერ კიდევ სატუმბოა. ულტრაბგერითი რეაქტორები შეიძლება გაუმკლავდნენ საკმაოდ მაღალ მყარ კონცენტრაციებს ისე, რომ ბგერითი პროცესი ყველაზე ეფექტურად წარიმართოს. რაც უფრო მეტ მასალას შეიცავს ნადუღი, მით ნაკლები გადამზიდავი სითხე იქნება დამუშავებული, რომელიც არ მოიტანს სარგებელს ბგერითი პროცესისგან. ვინაიდან სითხეში ენერგიის შეყვანა იწვევს სითხის გათბობას თერმოდინამიკის კანონით, ეს ნიშნავს, რომ ულტრაბგერითი ენერგია გამოიყენება სამიზნე მასალაზე, შეძლებისდაგვარად. ასეთი ეფექტური პროცესის დიზაინით, თავიდან აიცილება ზედმეტი გადამზიდავი სითხის უსარგებლო გათბობა.
ულტრაბგერითი ეხმარება ექსტრაქცია უჯრედშიდა მასალისა და ამით ხელმისაწვდომს ხდის ფერმენტული დუღილისთვის. მსუბუქ ულტრაბგერით მკურნალობას შეუძლია გააძლიეროს ფერმენტული აქტივობა, მაგრამ ბიომასის მოპოვებისთვის საჭიროა უფრო ინტენსიური ულტრაბგერითი. აქედან გამომდინარე, ფერმენტები უნდა დაემატოს ბიომასის ხსნარს გაჟონვის შემდეგ, რადგან ინტენსიური ულტრაბგერითი ააქტიურებს ფერმენტებს, რაც არ არის სასურველი ეფექტი.

სამეცნიერო კვლევებით მიღწეული ამჟამინდელი შედეგები:

იოსვათანას და სხვ. (2010) რაც შეეხება ბრინჯის ჩალისგან ბიოეთანოლის წარმოებას, აჩვენა, რომ მჟავა წინასწარი დამუშავებისა და ულტრაბგერითი კომბინაცია ფერმენტულ მკურნალობამდე იწვევს შაქრის მოსავლიანობის გაზრდას 44%-მდე (ბრინჯის ჩალის საფუძველზე). ეს აჩვენებს ფიზიკური და ქიმიური წინასწარი დამუშავების კომბინაციის ეფექტურობას ლიგნოცელულოზის მასალის ფერმენტულ ჰიდროლიზამდე შაქარში.

დიაგრამა 2 ასახავს ულტრაბგერითი დასხივების დადებით ეფექტებს ბრინჯის ჩალისგან ბიოეთანოლის წარმოების დროს გრაფიკულად. (ნახშირი გამოყენებულია წინასწარ დამუშავებული ნიმუშების დეტოქსიკაციისთვის მჟავა/ფერმენტული წინასწარი დამუშავებისა და ულტრაბგერითი წინასწარი დამუშავებისგან.)

სხვა ბოლო კვლევაში, შესწავლილი იქნა ულტრაბგერითი გავლენის გავლენა β-გალაქტოზიდაზას ფერმენტის უჯრედგარე და უჯრედშიდა დონეებზე. სულეიმანი და სხვ. (2011) შეიძლება არსებითად გააუმჯობესოს ბიოეთანოლის წარმოების პროდუქტიულობა, ულტრაბგერის გამოყენებით კონტროლირებად ტემპერატურაზე, რომელიც ასტიმულირებს Kluyveromyces marxianus-ის საფუარის ზრდას (ATCC 46537). ნაშრომის ავტორები განაახლეს, რომ წყვეტილი სონიკა დენის ულტრაბგერით (20 kHz) სამუშაო ციკლებზე ≤20% ბიომასის გამომუშავების, ლაქტოზის მეტაბოლიზმის და ეთანოლის გამომუშავების სტიმულირება K. marxianus-ში ბგერის შედარებით მაღალი ინტენსივობით 11.8 ვტ სმ.⁻². საუკეთესო პირობებში, გაჟღერებამ გაზარდა ეთანოლის საბოლოო კონცენტრაცია კონტროლთან შედარებით თითქმის 3,5-ჯერ. ეს შეესაბამებოდა ეთანოლის პროდუქტიულობის 3,5-ჯერ გაზრდას, მაგრამ მოითხოვდა 952 ვტ დამატებითი სიმძლავრის შეყვანა ბულიონზე კუბურ მეტრზე გაჟონვის გზით. ენერგიის ეს დამატებითი მოთხოვნა, რა თქმა უნდა, ბიორეაქტორებისთვის მისაღები საოპერაციო ნორმების ფარგლებში იყო და მაღალი ღირებულების პროდუქტებისთვის, ადვილად ანაზღაურდება გაზრდილი პროდუქტიულობით.

დასკვნა: სარგებელი ულტრაბგერითი დახმარებით ფერმენტაციისგან

ულტრაბგერითი მკურნალობა ნაჩვენებია, როგორც ეფექტური და ინოვაციური ტექნიკა ბიოეთანოლის მოსავლიანობის გასაძლიერებლად. უპირველეს ყოვლისა, ულტრაბგერითი გამოიყენება ბიომასისგან უჯრედშიდა მასალის ამოსაღებად, როგორიცაა სიმინდი, სოიო, ჩალა, ლიგნოცელულოზური მასალა ან მცენარეული ნარჩენები.

• ბიოეთანოლის მოსავლიანობის გაზრდა
• დეზინტერაცია/ უჯრედების განადგურება და უჯრედშიდა მასალის გამოყოფა
• გაუმჯობესებული ანაერობული დაშლა
• ფერმენტების გააქტიურება ზომიერი გაჟღერებით
• პროცესის ეფექტურობის გაუმჯობესება მაღალი კონცენტრაციის ნალექებით

მარტივი ტესტირება, რეპროდუცირებადი მასშტაბირება და მარტივი ინსტალაცია (ასევე უკვე არსებულ წარმოების ნაკადებში) ულტრაბგერას მომგებიან და ეფექტურ ტექნოლოგიად აქცევს. ხელმისაწვდომია სანდო სამრეწველო ულტრაბგერითი პროცესორები კომერციული დამუშავებისთვის და შესაძლებელს ხდის სითხის პრაქტიკულად შეუზღუდავი მოცულობის გაჟღერებას.