ულტრაბგერითი დახმარებითი ფერმენტაცია ბიოეთანოლის წარმოებისთვის

ულტრაბგერის დახმარებით მიმდინარე ფერმენტაციას შეუძლია გააუმჯობესოს ბიოეთანოლის წარმოება რთული ნახშირწყლების უფრო მარტივ შაქრებად დაშლის ხელშეწყობით, რაც მათ უფრო ხელმისაწვდომს ხდის საფუარის მიერ ეთანოლად გარდასაქმნელად. ამავდროულად, ულტრაბგერითი დამუშავება ასევე აუმჯობესებს საფუარის უჯრედის კედლის გამტარობას, რაც ეთანოლის უფრო სწრაფ გამოყოფასა და საერთო წარმოების ზრდას უზრუნველყოფს. შესაბამისად, ულტრაბგერის დახმარებით მიმდინარე ბიოეთანოლის ფერმენტაცია ზრდის გარდაქმნის მაჩვენებლებსა და პროდუქტის გამოსავლიანობას.

ფერმენტაცია

ფერმენტაცია შეიძლება იყოს აერობული (= ჟანგვითი ფერმენტაცია) ან ანაერობული პროცესი, რომელიც გამოიყენება ბიოტექნოლოგიური მიზნებისთვის ორგანული მასალის გარდასაქმნელად ბაქტერიული, სოკოვანი ან სხვა ბიოლოგიური უჯრედული კულტურების ან ფერმენტების მეშვეობით. ფერმენტაციის გზით ენერგია მიიღება ორგანული ნაერთების, მაგ. ნახშირწყლების ჟანგვის შედეგად.
შაქარი არის ფერმენტაციის ყველაზე გავრცელებული სუბსტრატი, რის შედეგადაც ფერმენტაციის შემდეგ მიიღება პროდუქტები, როგორიცაა რძის მჟავა, ლაქტოზა, ეთანოლი და წყალბადი. ალკოჰოლური ფერმენტაციის დროს ეთანოლი – განსაკუთრებით საწვავად, მაგრამ ასევე ალკოჰოლურ სასმელებში გამოსაყენებლად – მიიღება ფერმენტაციის გზით. როდესაც საფუარის გარკვეული შტამები, როგორიცაა Saccharomyces cerevisiae შაქარს მეტაბოლიზებენ, საფუარის უჯრედები საწყის მასალას გარდაქმნიან ეთანოლად და ნახშირორჟანგად.

ქვემოთ მოცემული ქიმიური ტოლობები აჯამებს გარდაქმნას:

თუ საწყისი მასალა არის სახამებელი, მაგ. სიმინდიდან, ჯერ სახამებელი უნდა გარდაიქმნას შაქრად. საწვავად გამოყენებული ბიოეთანოლისთვის, სახამებლის გარდაქმნისთვის საჭიროა ჰიდროლიზი. ჩვეულებრივ, ჰიდროლიზი სწრაფდება მჟავე ან ფერმენტული დამუშავებით ან ორივეს კომბინაციით. ჩვეულებრივ, ფერმენტაცია მიმდინარეობს დაახლოებით 35–40 °C-ზე.
მიმოხილვა სხვადასხვა ფერმენტაციის პროცესებზე:

საკვები:

• წარმოება & შენახვა
• რძის პროდუქტები (რძემჟავური ფერმენტაცია), მაგ. იოგურტი, დო, კეფირი
• რძემჟავური ფერმენტაციით მიღებული ბოსტნეული, მაგ. კიმჩი, მისო, ნატო, ცუკემონო, მჟავე კომბოსტო
• არომატების განვითარება, მაგ. სოიოს სოუსი
• ტანინების დაშლა, მაგ. ჩაი, კაკაო, ყავა, თამბაქო
• ალკოჰოლური სასმელები, მაგ. ლუდი, ღვინო, ვისკი

წამლები:

• სამკურნალო ნაერთების წარმოება, მაგ. ინსულინი, ჰიალურონის მჟავა

ბიოგაზი/ ეთანოლი:

• ბიოგაზის/ ბიოეთანოლის წარმოების გაუმჯობესება

სხვადასხვა სამეცნიერო ნაშრომებმა და ტესტებმა ლაბორატორიული და საცდელი ზომის მასშტაბებზე აჩვენა, რომ ულტრაბგერა აუმჯობესებს ფერმენტაციის პროცესს, რადგან უფრო მეტ ბიომასას ხდის ხელმისაწვდომს ფერმენტული ფერმენტაციისთვის. შემდეგ განყოფილებაში დეტალურად იქნება განხილული ულტრაბგერის ეფექტები სითხეში.

სითხის ულტრაბგერითი დამუშავების ეფექტები

მაღალი სიმძლავრის/ დაბალი სიხშირის ულტრაბგერის მეშვეობით შესაძლებელია მაღალი ამპლიტუდების გენერირება. შესაბამისად, მაღალი სიმძლავრის/ დაბალი სიხშირის ულტრაბგერა შეიძლება გამოიყენებოდეს სითხეების დამუშავებისთვის, როგორიცაა შერევა, ემულსიფიცირება, დისპერგირება და დეაგლომერაცია, ან დაფქვა.
სითხეების მაღალი ინტენსივობის ულტრაბგერით დამუშავებისას სითხეში გავრცელებული ბგერითი ტალღები იწვევს მაღალი წნევის (შეკუმშვისა) და დაბალი წნევის (გაიშვიათების) მონაცვლე ციკლებს, რომელთა სიჩქარე სიხშირეზეა დამოკიდებული. დაბალი წნევის ციკლის დროს მაღალი ინტენსივობის ულტრაბგერითი ტალღები სითხეში ქმნის მცირე ვაკუუმურ ბუშტუკებს ან ღრუებს. როდესაც ბუშტუკები ისეთ მოცულობას აღწევს, რომ ენერგიის შთანთქმა აღარ შეუძლია, ისინი მაღალი წნევის ციკლის დროს მკვეთრად კოლაფსირდება. ამ მოვლენას კავიტაცია ეწოდება. კავიტაცია, ანუ “ბუშტუკების წარმოქმნა, ზრდა და იმპლოზიური დაშლა სითხეში. კავიტაციური დაშლა იწვევს ინტენსიურ ლოკალურ გაცხელებას (~5000 K), მაღალ წნევას (~1000 atm) და უზარმაზარ გაცხელებისა და გაციების სიჩქარეებს (>109 K/წმ)” და სითხის ჯგუფურ ნაკადებს (~400 კმ/სთ)”. (Suslick 1998)

კავიტაციის წარმოქმნის სხვადასხვა საშუალება არსებობს, მაგალითად, მაღალი წნევის საქშენები, როტორ-სტატორული შემრევები ან ულტრაბგერითი პროცესორები. ყველა ამ სისტემაში მიწოდებული ენერგია გარდაიქმნება ხახუნად, ტურბულენტობად, ტალღებად და კავიტაციად. მიწოდებული ენერგიის ის წილი, რომელიც კავიტაციად გარდაიქმნება, დამოკიდებულია რამდენიმე ფაქტორზე, რომლებიც აღწერს კავიტაციის წარმომქმნელი მოწყობილობის მოძრაობას სითხეში. აჩქარების ინტენსივობა ერთ-ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი ფაქტორია, რომელიც გავლენას ახდენს ენერგიის კავიტაციად ეფექტურ გარდაქმნაზე. უფრო მაღალი აჩქარება ქმნის წნევის უფრო დიდ სხვაობებს. ეს, თავის მხრივ, ზრდის ვაკუუმური ბუშტუკების წარმოქმნის ალბათობას სითხეში გავრცელებული ტალღების წარმოქმნის ნაცვლად. შესაბამისად, რაც უფრო მაღალია აჩქარება, მით უფრო დიდია ენერგიის ის წილი, რომელიც კავიტაციად გარდაიქმნება.
ულტრაბგერითი ტრანსდუცერის შემთხვევაში, ოსცილაციის ამპლიტუდა აღწერს აჩქარების ინტენსივობას. უფრო მაღალი ამპლიტუდები იწვევს კავიტაციის უფრო ეფექტურ შექმნას. ინტენსივობასთან ერთად, სითხე უნდა იყოს აჩქარებული ისე, რომ შეიქმნას მინიმალური დანაკარგები ტურბულენტობის, ხახუნისა და ტალღების გენერაციის თვალსაზრისით. ამისთვის, ოპტიმალური გზაა მოძრაობის ერთმხრივი მიმართულება. ულტრაბგერითი დამუშავების პროცესის ინტენსივობისა და პარამეტრების ცვლილებით, ულტრაბგერა შეიძლება იყოს ძალიან მკაცრი ან ძალიან რბილი. ეს ულტრაბგერას ხდის ძალიან მრავალმხრივ ინსტრუმენტს სხვადასხვა დანიშნულებისთვის.

რბილი დანიშნულებები, რომლებიც იყენებენ მსუბუქ ულტრაბგერით დამუშავებას მსუბუქ პირობებში, მოიცავს დეგაზირებას, ემულგირებას, და ფერმენტების აქტივაციას. მკაცრი დანიშნულებები მაღალი ინტენსივობის/ მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერით (ძირითადად მაღალი წნევის პირობებში) არის სველი დაფქვა, დეაგლომერაცია & ნაწილაკების ზომის შემცირება, და დისპერგირება. ბევრი დანიშნულებისთვის, როგორიცაა ექსტრაქცია, დეზინტეგრაცია ან სონოქიმია, მოთხოვნილი ულტრაბგერითი ინტენსივობა დამოკიდებულია კონკრეტულ მასალაზე, რომელიც უნდა დამუშავდეს ულტრაბგერით. პარამეტრების მრავალფეროვნების გამო, რომლებიც შეიძლება ადაპტირდეს ინდივიდუალურ პროცესზე, ულტრაბგერა საშუალებას გვაძლევს ვიპოვოთ „ოქროს შუალედი“ თითოეული ინდივიდუალური პროცესისთვის.
გარდა სიმძლავრის გარდაქმნის გამორჩეული მაჩვენებლისა, ულტრაბგერითი დამუშავების მნიშვნელოვანი უპირატესობაა უმნიშვნელოვანესი პარამეტრების სრული კონტროლი: ამპლიტუდა, წნევა, ტემპერატურა, სიბლანტე და კონცენტრაცია. ეს იძლევა ყველა ამ პარამეტრის რეგულირების შესაძლებლობას თითოეული კონკრეტული მასალისთვის დამუშავების იდეალური პარამეტრების მოსაძებნად. შედეგად იზრდება დამუშავების ეფექტიანობა და ოპტიმიზდება რესურსების გამოყენების ეფექტურობა.

ულტრაბგერა ფერმენტაციის პროცესების გასაუმჯობესებლად, განმარტებული ბიოეთანოლის წარმოების მაგალითზე

ბიოეთანოლი არის ანაერობული ან აერობული ბაქტერიების მიერ ბიომასის ან ნარჩენების ბიოდეგრადირებადი ნივთიერებების დაშლის პროდუქტი. წარმოქმნილი ეთანოლი ძირითადად გამოიყენება როგორც ბიოსაწვავი. ეს ბიოეთანოლს ხდის განახლებად და ეკოლოგიურად სუფთა ალტერნატივად წიაღისეული საწვავისთვის, როგორიცაა ბუნებრივი გაზი.
ბიომასიდან ეთანოლის წარმოებისთვის ნედლეულად შეიძლება გამოყენებულ იქნეს შაქარი, სახამებელი და ლიგნოცელულოზური მასალა. სამრეწველო მასშტაბის წარმოებაში ამჟამად შაქარი და სახამებელი ჭარბობს, რადგან ისინი ეკონომიკურად ხელსაყრელია.
თუ როგორ აუმჯობესებს ულტრაბგერა კლიენტის ინდივიდუალურ პროცესს კონკრეტული ნედლეულითა და მოცემულ პირობებში, მარტივად შეიძლება შემოწმდეს განხორციელებადობის ტესტებით. პირველ ეტაპზე ნედლეულის სუსპენზიის მცირე რაოდენობის ულტრაბგერითი დამუშავება ულტრაბგერითი ლაბორატორიული მოწყობილობით აჩვენებს, ახდენს თუ არა ულტრაბგერა გავლენას ნედლეულზე.

განხორციელებადობის ტესტირება

პირველ საცდელ ეტაპზე მიზანშეწონილია სითხის მცირე მოცულობაში ულტრაბგერითი ენერგიის შედარებით დიდი რაოდენობის შეტანა, რადგან ამით იზრდება რაიმე შედეგის გამოვლენის შანსი. ნიმუშის მცირე მოცულობა ასევე ამცირებს ლაბორატორიული მოწყობილობის გამოყენების დროს და პირველადი ტესტების ხარჯებს.
ულტრაბგერითი ტალღები სონოტროდის ზედაპირიდან გადაიცემა სითხეში. სონოტროდის ზედაპირის ქვეშ, ულტრაბგერითი ინტენსივობა ყველაზე მაღალია. შესაბამისად, მისასალმებელია სონოტროდსა და ულტრაბგერითად დამუშავებულ მასალას შორის მცირე მანძილი. როდესაც სითხის მცირე მოცულობაა დამუშავების ქვეშ, მანძილი სონოტროდიდან შეიძლება შენარჩუნდეს მცირე.
ქვემოთ მოცემული ცხრილი აჩვენებს ენერგიის/მოცულობის ტიპურ მაჩვენებლებს ულტრაბგერითი დამუშავების პროცესებისთვის ოპტიმიზაციის შემდეგ. ვინაიდან პირველი ცდები არ ჩატარდება ოპტიმალურ კონფიგურაციაში, ულტრაბგერითი ინტენსივობა და დრო ტიპური მნიშვნელობის 10-დან 50-ჯერ მეტი იქნება, რაც აჩვენებს, არის თუ არა რაიმე ეფექტი ულტრაბგერითად დამუშავებულ მასალაზე.

პროცესი	ენერგია/ მოცულობა	საცდელი მოცულობა	სიმძლავრე	დრო
მარტივი	< 100Ws/mL	10mL	50W	< 20 წმ
საშუალო	100Ws/mL-დან 500Ws/mL-მდე	10mL	50W	20-დან 100 წმ-მდე
რთული	> 500Ws/mL	10mL	50W	>100 წმ

ცხრილი 1 – ტიპური ულტრაბგერითი დამუშავების მაჩვენებლები პროცესის ოპტიმიზაციის შემდეგ

საცდელი გაშვებებისას რეალურად მიწოდებული სიმძლავრის აღრიცხვა შესაძლებელია მონაცემთა ჩაწერის ჩაშენებული სისტემის (UP200Ht და UP200St), PC-ინტერფეისის ან სიმძლავრის მრიცხველის მეშვეობით. ამპლიტუდის პარამეტრისა და ტემპერატურის ჩაწერილ მონაცემებთან ერთად, თითოეული ცდის შედეგები შეიძლება შეფასდეს და დადგინდეს ენერგიის/მოცულობის ქვედა ზღვარი.
თუ ტესტების დროს ოპტიმალური კონფიგურაცია იქნა შერჩეული, ამ კონფიგურაციის წარმადობა შეიძლება დადასტურდეს ოპტიმიზაციის ეტაპზე და საბოლოოდ გაზარდოს კომერციულ დონემდე. ოპტიმიზაციის გასამარტივებლად, ძლიერ რეკომენდებულია ულტრაბგერითი დამუშავების ზღვრების შესწავლა, მაგ. ტემპერატურა, ამპლიტუდა ან ენერგია/მოცულობა კონკრეტული ფორმულაციებისთვისაც. ვინაიდან ულტრაბგერამ შეიძლება გამოიწვიოს უარყოფითი ეფექტები უჯრედებზე, ქიმიკატებზე ან ნაწილაკებზე, საჭიროა თითოეული პარამეტრის კრიტიკული დონეების შესწავლა, რათა შემდგომი ოპტიმიზაცია შემოიფარგლოს პარამეტრების ისეთ დიაპაზონით, სადაც უარყოფითი ეფექტები არ შეინიშნება. შესაძლებლობის შესწავლისთვის რეკომენდებულია მცირე ლაბორატორიული ან მაგიდის ტიპის აგრეგატები, რათა შეიზღუდოს მოწყობილობისა და საცდელი მასალების ხარჯები ასეთ ცდებში. ზოგადად, 100-დან 1 000 ვატამდე სიმძლავრის აგრეგატები შესაძლებლობის შესწავლის მიზნებისთვის ძალიან კარგად მუშაობს. (იხ. Hielscher 2005)

ოპტიმიზაცია

შესაძლებლობის შესწავლის დროს მიღებული შედეგები შეიძლება აჩვენებდეს საკმაოდ მაღალ ენერგომოხმარებას დამუშავებული მცირე მოცულობის მიხედვით. მაგრამ შესაძლებლობის ტესტის მიზანი პირველ რიგში არის ულტრაბგერის ეფექტების ჩვენება მასალაზე. თუ შესაძლებლობის ტესტირებისას დადებითი ეფექტები იქნა აღმოჩენილი, საჭიროა დამატებითი ზომები ენერგიის/მოცულობის თანაფარდობის ოპტიმიზაციისთვის. ეს ნიშნავს ულტრაბგერითი პარამეტრების იდეალური კონფიგურაციის შესწავლას, რათა მიღწეულ იქნას უმაღლესი მოსავალი მინიმალური ენერგიის გამოყენებით, რათა პროცესი გახდეს ეკონომიკურად ყველაზე რაციონალური და ეფექტური. ოპტიმალური პარამეტრული კონფიგურაციის საპოვნელად – მინიმალური ენერგომოხმარებით სასურველი სარგებლის მიღება – უნდა შესწავლილ იქნას ყველაზე მნიშვნელოვანი პარამეტრების ამპლიტუდა, წნევა, ტემპერატურა და სითხის შემადგენლობას შორის კორელაცია. ამ მეორე ეტაპზე რეკომენდებულია გადასვლა პარტიული ულტრაბგერითი დამუშავებიდან უწყვეტი ულტრაბგერითი დამუშავების სქემაზე ნაკადის უჯრედის რეაქტორით, ვინაიდან მნიშვნელოვან პარამეტრზე – წნევაზე – პარტიული ულტრაბგერითი დამუშავებისას ზემოქმედება შეუძლებელია. პარტიაში ულტრაბგერითი დამუშავებისას, წნევა შემოიფარგლება გარემო წნევით. თუ ულტრაბგერითი დამუშავების პროცესი გაივლის წნევის ქვეშ მყოფ ნაკადის უჯრედის კამერას, წნევა შეიძლება გაიზარდოს (ან შემცირდეს), რაც ზოგადად მკვეთრად მოქმედებს ულტრაბგერით კავიტაციაზე . ნაკადის უჯრედის გამოყენებით, შესაძლებელია წნევასა და პროცესის ეფექტურობას შორის კორელაციის დადგენა. ულტრაბგერითი პროცესორები 500 ვატს და 2000 ვატს შორის სიმძლავრით ყველაზე შესაფერისია პროცესის ოპტიმიზაციისთვის.

მასშტაბირება კომერციულ წარმოებამდე

თუ ოპტიმალური კონფიგურაცია ნაპოვნია, შემდგომი მასშტაბირება მარტივია, რადგან ულტრაბგერითი პროცესები სრულად გამეორებადია წრფივ მასშტაბში. ეს ნიშნავს, რომ როდესაც ულტრაბგერა გამოიყენება იდენტურ სითხის ფორმულაზე იდენტური დამუშავების პარამეტრების კონფიგურაციით, იდენტური შედეგის მისაღებად საჭიროა იგივე ენერგია მოცულობაზე, მიუხედავად დამუშავების მასშტაბისა. (Hielscher 2005). ეს საშუალებას იძლევა, ულტრაბგერის ოპტიმალური პარამეტრების კონფიგურაცია იქნას დანერგილი სრული მასშტაბის წარმოების ზომაში. პრაქტიკულად, ულტრაბგერითი დამუშავების შესაძლებელი მოცულობა შეუზღუდავია. კომერციული ულტრაბგერითი სისტემები მაქსიმუმ 16 000 ვატამდე ერთ ერთეულზე ხელმისაწვდომია და შეიძლება დაინსტალირდეს კლასტერებად. ასეთი ულტრაბგერითი პროცესორების კლასტერები შეიძლება დაინსტალირდეს პარალელურად ან მიმდევრობით. მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერითი პროცესორების კლასტერული ინსტალაციის შედეგად, ჯამური სიმძლავრე თითქმის შეუზღუდავია, ისე რომ მაღალი მოცულობის ნაკადები პრობლემის გარეშე მუშავდება. თუ ულტრაბგერითი სისტემის ადაპტაციაა საჭირო, მაგალითად, პარამეტრების შეცვლილ სითხის ფორმულასთან მოსარგებად, ეს ძირითადად შესაძლებელია სონოტროდის, ბუსტერის ან ნაკადის უჯრედის შეცვლით. ულტრაბგერის წრფივი მასშტაბირებადობა, გამეორებადობა და ადაპტირებადობა ამ ინოვაციურ ტექნოლოგიას ეფექტურს და ეკონომიურს ხდის.

ულტრაბგერითი დამუშავების პარამეტრები

ულტრაბგერითი სითხის დამუშავება აღიწერება რამდენიმე პარამეტრით. ყველაზე მნიშვნელოვანია ამპლიტუდა, წნევა, ტემპერატურა, სიბლანტე და კონცენტრაცია. პროცესის შედეგი, როგორიცაა ნაწილაკების ზომა, მოცემული პარამეტრების კონფიგურაციისთვის არის ფუნქცია ენერგიისა დამუშავებულ მოცულობაზე. ფუნქცია იცვლება ცალკეული პარამეტრების ცვლილებებთან ერთად. გარდა ამისა, ულტრაბგერითი აპარატის სონოტროდის ზედაპირის ფართობზე რეალური სიმძლავრის გამოსავალი დამოკიდებულია პარამეტრებზე. სიმძლავრის გამოსავალი სონოტროდის ზედაპირის ფართობზე არის ზედაპირული ინტენსივობა (I). ზედაპირული ინტენსივობა დამოკიდებულია ამპლიტუდაზე (A), წნევაზე (p), რეაქტორის მოცულობაზე (VR), ტემპერატურაზე (T), სიბლანტეზე (η) და სხვა.

გენერირებული კავიტაციის ზემოქმედება დამოკიდებულია ზედაპირულ ინტენსივობაზე. იგივე პრინციპით კორელირებს პროცესის შედეგი. ულტრაბგერითი აპარატის ჯამური სიმძლავრის გამოსავალი არის ზედაპირული ინტენსივობის (I) და ზედაპირის ფართობის (S) ნამრავლი:

P [W] I [W / mm²]* S[mm²]

ამპლიტუდა

ოსცილაციის ამპლიტუდა აღწერს გზას (მაგ. 50 µm), რომელსაც სონოტროდის ზედაპირი გადის მოცემულ დროში (მაგ. 1/20,000წმ 20kHz-ზე). რაც უფრო დიდია ამპლიტუდა, იმდენად უფრო მაღალია სიჩქარე, რომლითაც წნევა ეცემა და იზრდება თითოეულ სტროკზე. გარდა ამისა, თითოეული სტროკის მოცულობითი გადაადგილება იზრდება, რაც იწვევს უფრო დიდ კავიტაციურ მოცულობას (ბუშტების ზომა და/ან რაოდენობა). დისპერსიებზე გამოყენებისას, უფრო მაღალი ამპლიტუდები აჩვენებს უფრო მაღალ დესტრუქციულობას მყარი ნაწილაკების მიმართ. ცხრილი 1 აჩვენებს ზოგად მნიშვნელობებს ზოგიერთი ულტრაბგერითი პროცესისთვის.

წნევა

სითხის დუღილის ტემპერატურა დამოკიდებულია წნევაზე. რაც უფრო მაღალია წნევა, იმდენად მაღალია დუღილის ტემპერატურა, და პირიქით. მაღალი წნევა საშუალებას იძლევა კავიტაცია მოხდეს დუღილის ტემპერატურასთან ახლოს ან მის ზემოთ. ის ასევე ზრდის იმპლოზიის ინტენსივობას, რაც დაკავშირებულია ბუშტის შიგნით სტატიკურ წნევასა და ორთქლის წნევას შორის სხვაობასთან (იხ. Vercet et al. 1999). რადგან ულტრაბგერითი სიმძლავრე და ინტენსივობა სწრაფად იცვლება წნევის ცვლილებებთან ერთად, მუდმივი წნევის ტუმბო უპირატესობას იძენს. როდესაც სითხეს აწვდიან ნაკადის უჯრედს, ტუმბო უნდა იყოს უნარიანი, რომ მართოს კონკრეტული სითხის ნაკადი შესაბამის წნევებზე. დიაფრაგმული ან მემბრანული ტუმბოები; მოქნილი მილის, შლანგის ან შეკუმშვის ტუმბოები; პერისტალტიკული ტუმბოები; ან დგუშიანი ან პლუნჯერული ტუმბოები შექმნიან მონაცვლე წნევის რხევებს. უპირატესობა ენიჭება ცენტრიდანულ ტუმბოებს, კბილანოვან ტუმბოებს, სპირალურ ტუმბოებს და პროგრესიული კამერის ტუმბოებს, რომლებიც უზრუნველყოფენ ულტრაბგერითი დამუშავებისთვის განკუთვნილ სითხეს უწყვეტად სტაბილური წნევით. (Hielscher 2005)

ტემპერატურა

სითხის ულტრაბგერითი დამუშავებისას, სიმძლავრე გადაეცემა გარემოს. რადგან ულტრაბგერითად გენერირებული რხევა იწვევს ტურბულენტობასა და ხახუნს, ულტრაბგერითად დამუშავებული სითხე – თერმოდინამიკის კანონის შესაბამისად – გათბება. დამუშავებული გარემოს მაღალი ტემპერატურა შეიძლება იყოს დამაზიანებელი მასალისთვის და შეამციროს ულტრაბგერითი კავიტაციის ეფექტურობა. ინოვაციური ულტრაბგერითი ნაკადის უჯრედები აღჭურვილია გაგრილების გარსით (იხ. სურათი). ამით უზრუნველყოფილია მასალის ტემპერატურის ზუსტი კონტროლი ულტრაბგერითი დამუშავების დროს. მცირე მოცულობების ჭიქაში ულტრაბგერითი დამუშავებისთვის რეკომენდებულია ყინულის აბაზანა სითბოს გასაფრქვევად.

სიბლანტე და კონცენტრაცია

ულტრაბგერითი დაფქვა და დისპერგირება არის სითხის პროცესები. ნაწილაკები უნდა იყოს სუსპენზიაში, მაგ. წყალში, ზეთში, გამხსნელებში ან ფისებში. ულტრაბგერითი ნაკადის სისტემების გამოყენებით, შესაძლებელი ხდება ძალიან ბლანტი, პასტისებრი მასალის ულტრაბგერითი დამუშავება.
მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერითი პროცესორი შეიძლება მუშაობდეს საკმაოდ მაღალი მყარი ნივთიერებების კონცენტრაციებზე. მაღალი კონცენტრაცია უზრუნველყოფს ულტრაბგერითი დამუშავების ეფექტურობას, რადგან ულტრაბგერითი დაფქვის ეფექტი გამოწვეულია ნაწილაკთაშორისი შეჯახებით. კვლევებმა აჩვენა, რომ სილიციუმის დიოქსიდის დაშლის სიჩქარე არ არის დამოკიდებული მყარი ნივთიერების კონცენტრაციაზე 50%-მდე წონითი. მაღალკონცენტრირებული მასალის თანაფარდობის მქონე მაგისტრალური პარტიების დამუშავება არის საერთო წარმოების პროცედურა ულტრაბგერითი დამუშავების გამოყენებით.

სიმძლავრე და ინტენსივობა ენერგიასთან შედარებით

ზედაპირული ინტენსივობა და ჯამური სიმძლავრე მხოლოდ დამუშავების ინტენსივობას აღწერს. ულტრაბგერითად დამუშავებული ნიმუშის მოცულობა და ექსპოზიციის დრო გარკვეულ ინტენსივობაზე უნდა გათვალისწინდეს ულტრაბგერითი დამუშავების პროცესის აღსაწერად, რათა ის გახდეს მასშტაბირებადი და რეპროდუცირებადი. მოცემული პარამეტრების კონფიგურაციისთვის, პროცესის შედეგი, მაგ. ნაწილაკების ზომა ან ქიმიური გარდაქმნა, იქნება დამოკიდებული ენერგიაზე მოცულობის ერთეულზე (E/V).

შედეგი = f (E /V )

სადაც ენერგია (E) არის სიმძლავრის გამოსავლის (P) და ექსპოზიციის დროის (t) ნამრავლი.

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

პარამეტრების კონფიგურაციის ცვლილებები შეცვლის შედეგის ფუნქციას. ეს თავის მხრივ შეცვლის ენერგიის (E) რაოდენობას, რომელიც საჭიროა მოცემული ნიმუშის მნიშვნელობისთვის (V) კონკრეტული შედეგის მნიშვნელობის მისაღებად. ამ მიზეზით, არ არის საკმარისი ულტრაბგერის გარკვეული სიმძლავრის გამოყენება პროცესში შედეგის მისაღებად. საჭიროა უფრო დახვეწილი მიდგომა საჭირო სიმძლავრისა და პარამეტრების კონფიგურაციის დასადგენად, რომელზეც სიმძლავრე უნდა იქნას გადაცემული პროცესის მასალაში. (Hielscher 2005)

ბიოეთანოლის ულტრაბგერითად დახმარებული წარმოება

უკვე ცნობილია, რომ ულტრაბგერა აუმჯობესებს ბიოეთანოლის წარმოებას. რეკომენდებულია სითხის გასქელება ბიომასით ისეთ მაღალი სიბლანტის ნარევამდე, რომელიც კვლავ ტუმბოვადია. ულტრაბგერითი რეაქტორებს შეუძლიათ მუშაობა საკმაოდ მაღალი მყარი ნივთიერებების კონცენტრაციებზე, რაც საშუალებას იძლევა ულტრაბგერითი დამუშავების პროცესი მაქსიმალურად ეფექტურად წარიმართოს. რაც უფრო მეტი მასალაა ნარევში, მით ნაკლები სატარებელი სითხე, რომელიც ულტრაბგერითი დამუშავების პროცესისგან სარგებელს ვერ მიიღებს, დამუშავდება. ვინაიდან ენერგიის შეტანა სითხეში იწვევს სითხის გათბობას თერმოდინამიკის კანონის თანახმად, ეს ნიშნავს, რომ ულტრაბგერითი ენერგია მაქსიმალურად მიმართულია სამიზნე მასალაზე. ასეთი ეფექტური პროცესის დიზაინით თავიდან იცილება ზედმეტი სატარებელი სითხის უაზრო გათბობა.
ულტრაბგერა ეხმარება ექსტრაქციას უჯრედშიდა მასალის, რითაც ის ხდება ხელმისაწვდომი ფერმენტული ფერმენტაციისთვის. მსუბუქი ულტრაბგერითი დამუშავება შეიძლება გააძლიეროს ფერმენტული აქტივობა, მაგრამ ბიომასის ექსტრაქციისთვის უფრო ინტენსიური ულტრაბგერა იქნება საჭირო. შესაბამისად, ფერმენტები ბიომასის ნარევს უნდა დაემატოს ულტრაბგერითი დამუშავების შემდეგ, რადგან ინტენსიური ულტრაბგერა ინაქტივირებს ფერმენტებს, რაც არასასურველი ეფექტია.

სამეცნიერო კვლევებით მიღებული ამჟამინდელი შედეგები:

Yoswathana et al. (2010)-ის კვლევებმა ბრინჯის ღეროსგან ბიოეთანოლის წარმოების შესახებ აჩვენა, რომ მჟავა წინასწარი დამუშავებისა და ულტრაბგერითი დამუშავების კომბინაცია ფერმენტული დამუშავების წინ იწვევს შაქრის გამოსავლიანობის მატებას 44%-მდე (ბრინჯის ღეროს საფუძველზე). ეს აჩვენებს ფიზიკური და ქიმიური წინასწარი დამუშავების კომბინაციის ეფექტურობას ლიგნოცელულოზური მასალის შაქრად ფერმენტულ ჰიდროლიზამდე. 

დიაგრამა 2 გრაფიკულად ასახავს ულტრაბგერითი გამოსხივების დადებით ეფექტებს ბრინჯის ღეროსგან ბიოეთანოლის წარმოების დროს. (ნახშირი გამოიყენებოდა მჟავა/ფერმენტული წინასწარი დამუშავებისა და ულტრაბგერითი წინასწარი დამუშავებისგან დამუშავებული ნიმუშების დეტოქსიკაციისთვის.)

სხვა ახალ კვლევაში შესწავლილია ულტრაბგერითი დამუშავების გავლენა β-გალაქტოზიდაზა ფერმენტის უჯრედგარე და უჯრედშიდა დონეებზე. Sulaiman et al. (2011) შეძლეს ბიოეთანოლის წარმოების პროდუქტიულობის მნიშვნელოვნად გაუმჯობესება, გამოიყენეს ულტრაბგერა კონტროლირებად ტემპერატურაზე, რამაც გაააქტიურა Kluyveromyces marxianus-ის (ATCC 46537) საფუარის ზრდა. სტატიის ავტორები აღნიშნავენ, რომ ინტერვალური ულტრაბგერითი დამუშავება მძლავრი ულტრაბგერით (20 kHz) ≤20% მუშაობის ციკლებით გაააქტიურა ბიომასის წარმოება, ლაქტოზის მეტაბოლიზმი და ეთანოლის წარმოება K. marxianus-ში ულტრაბგერითი დამუშავების შედარებით მაღალი ინტენსივობით 11,8Wcm². საუკეთესო პირობებში, ულტრაბგერითმა დამუშავებამ საბოლოო ეთანოლის კონცენტრაცია გაზარდა თითქმის 3,5-ჯერ კონტროლთან შედარებით. ეს შეესაბამებოდა ეთანოლის პროდუქტიულობის 3,5-ჯერ გაუმჯობესებას, მაგრამ საჭირო იყო 952W დამატებითი სიმძლავრის შეტანა ბულიონის ერთ კუბურ მეტრზე ულტრაბგერითი დამუშავების გზით. ენერგიის ეს დამატებითი მოთხოვნა ნამდვილად იყო ბიორეაქტორებისთვის მისაღები ოპერაციული ნორმების ფარგლებში და, მაღალი ღირებულების პროდუქტებისთვის, მარტივად შეიძლებოდა კომპენსირებულიყო გაზრდილი პროდუქტიულობით.

დასკვნა: ულტრაბგერითი დახმარებითი ფერმენტაციის სარგებელი

ულტრაბგერითი დამუშავება ეფექტურ და ინოვაციურ ტექნიკად დადასტურდა ბიოეთანოლის გამოსავლიანობის გასაუმჯობესებლად. პირველ რიგში, ულტრაბგერა გამოიყენება ბიომასიდან, როგორიცაა სიმინდი, სოია, ჩალა, ლიგნოცელულოზური მასალა ან მცენარეული ნარჩენები, უჯრედშიდა მასალის ამოსაღებად.

• ბიოეთანოლის გამოსავლიანობის მატება
• დესინტეგრაცია/ უჯრედის დაშლა და უჯრედშიდა მასალის გამოყოფა
• ანაერობული დაშლის გაუმჯობესება
• ფერმენტების აქტივაცია მსუბუქი ულტრაბგერითი დამუშავებით
• პროცესის ეფექტურობის გაუმჯობესება მაღალი კონცენტრაციის ნარევებით

მარტივი ტესტირება, რეპროდუცირებადი მასშტაბირება და მარტივი ინსტალაცია (ასევე უკვე არსებულ წარმოების ხაზებში) ულტრაბგერას აქცევს მომგებიან და ეფექტურ ტექნოლოგიად. სარწმუნო სამრეწველო ულტრაბგერითი პროცესორები კომერციული დამუშავებისთვის ხელმისაწვდომია და საშუალებას იძლევა თითქმის შეუზღუდავი მოცულობის სითხეების ულტრაბგერითი დამუშავება.