바이오 에탄올 생산을 위한 초음파 보조 발효

초음파 보조 발효는 복합 탄수화물을 더 단순한 당으로 분해하는 것을 촉진하여 효모가 에탄올로 더 쉽게 전환할 수 있도록 함으로써 바이오 에탄올 생산을 향상시킬 수 있습니다. 동시에, 초음파 처리는 효모 세포벽 투과성의 효율성을 향상시켜 더 빠른 에탄올 방출과 전체 생산량 증가를 가능하게합니다. 따라서 초음파에 의한 바이오 에탄올 발효는 더 높은 전환율과 향상된 수율을 제공합니다.

발효

발효는 호기성 (= 산화 발효) 또는 혐기성 과정 일 수 있으며, 박테리아, 곰팡이 또는 기타 생물학적 세포 배양 또는 효소에 의해 유기 물질을 전환하기위한 생명 공학 응용 분야에 사용됩니다. 발효를 통해 탄수화물과 같은 유기 화합물의 산화로부터 에너지를 추출합니다.
설탕은 발효의 가장 흔한 기질이며 젖산, 유당, 에탄올 및 수소와 같은 제품에서 발효 후 생성됩니다. 알코올 발효, 에탄올 – 특히 연료로 사용되지만 알코올 음료에도 사용됩니다. – 발효에 의해 생산됩니다. 다음과 같은 특정 효모 균주가 있을 때 맥주효모균 세레비시아(Saccharomyces cerevisiae) 설탕을 대사하면 효모 세포가 출발 물질을 에탄올과 이산화탄소로 전환합니다.

아래의 화학 방정식은 변환을 요약합니다.

출발 물질이 전분(예: 옥수수)인 경우 먼저 전분을 설탕으로 전환해야 합니다. 연료로 사용되는 바이오 에탄올의 경우 전분 전환을 위한 가수분해가 필요합니다. 전형적으로, 가수분해는 산성 또는 효소 처리 또는 둘의 조합에 의해 가속화된다. 일반적으로 발효는 약 35-40 °C에서 수행됩니다.
다양한 발효 과정에 대한 개요:

음식:

• 생산 & 보존
• 유제품(젖산 발효), 예: 요구르트, 버터밀크, 케피어
• 젖산 발효 채소(예: 김치, 된장, 낫토, 쓰케모노, 소금에 절인 양배추)
• 방향족 물질의 개발(예: 간장)
• 태닝제의 분해(예: 차, 코코아, 커피, 담배)
• 알코올 음료(예: 맥주, 와인, 위스키)

마약:

• 의료용 화합물(예: 인슐린, 히알루론산) 생산

바이오가스/에탄올 :

• 바이오가스/바이오에탄올 생산 개선

벤치 탑 및 파일럿 크기에 대한 다양한 연구 논문 및 테스트는 초음파가 효소 발효에 더 많은 바이오 매스를 사용할 수 있도록하여 발효 과정을 개선한다는 것을 보여주었습니다. 다음 섹션에서는 액체에서 초음파의 효과에 대해 자세히 설명합니다.

초음파 액체 처리의 효과

고출력/저주파 초음파에 의해 높은 진폭을 생성할 수 있습니다. 따라서 고출력/저주파 초음파는 혼합, 유화, 분산 및 응집 제거 또는 밀링과 같은 액체 처리에 사용할 수 있습니다.
높은 강도로 액체를 초음파 처리 할 때 액체 매체로 전파되는 음파는 주파수에 따라 고압 (압축) 및 저압 (희박) 사이클을 번갈아 가며 속도를 높입니다. 저압 사이클 동안 고강도 초음파는 액체에 작은 진공 기포 또는 공극을 생성합니다. 기포가 더 이상 에너지를 흡수할 수 없는 부피에 도달하면 고압 사이클 동안 격렬하게 붕괴됩니다. 이 현상을 캐비테이션이라고 합니다. 공동 현상말하자면 “액체에서 기포의 형성, 성장 및 내파적 붕괴. 캐비테이션 붕괴는 강렬한 국부 가열(~5000K), 고압(~1000atm) 및 엄청난 가열 및 냉각 속도(>109K/초)” 및 액체 제트 스트림(~400km/h)". (Suslick 1998년)

고압 노즐, 회전자-고정자 믹서 또는 초음파 프로세서와 같은 캐비테이션을 생성하는 다양한 수단이 있습니다. 이러한 모든 시스템에서 입력 에너지는 마찰, 난기류, 파동 및 캐비테이션으로 변환됩니다. 캐비테이션으로 변환되는 입력 에너지의 비율은 액체에서 캐비테이션 생성 장비의 움직임을 설명하는 몇 가지 요인에 따라 달라집니다. 가속의 강도는 에너지를 캐비테이션으로 효율적으로 변환하는 데 영향을 미치는 가장 중요한 요소 중 하나입니다. 가속력이 높을수록 압력 차이가 커집니다. 이것은 차례로 액체를 통해 전파되는 파동의 생성 대신 진공 기포의 생성 가능성을 높입니다. 따라서 가속도가 높을수록 캐비테이션으로 변환되는 에너지의 비율이 높아집니다.
초음파 변환기의 경우 진동 진폭은 가속도의 강도를 설명합니다. 진폭이 높을수록 캐비테이션이 더 효과적으로 생성됩니다. 강도 외에도 액체는 난기류, 마찰 및 파동 생성 측면에서 손실을 최소화하는 방식으로 가속되어야 합니다. 이를 위해 최적의 방법은 일방적인 이동 방향입니다. 초음파 처리 과정의 강도와 매개 변수를 변경하면 초음파는 매우 단단하거나 매우 부드러울 수 있습니다. 따라서 초음파는 다양한 응용 분야에서 매우 다재다능한 도구입니다.

온화한 조건에서 온화한 초음파 처리를 적용하는 부드러운 응용 프로그램에는 다음이 포함됩니다 탈기, 유화및 효소 활성화. 고강도/고출력 초음파(대부분 고압 하에서)를 사용하는 어려운 응용 분야는 다음과 같습니다. 습식 밀링, 응집 해제 & 입자 크기 감소 및 분산. 다음과 같은 많은 응용 분야에 적합 추출, 붕괴 또는 초음파 화학, 요청 된 초음파 강도는 초음파 처리 할 특정 재료에 따라 다릅니다. 개별 공정에 적용할 수 있는 다양한 매개변수를 통해 초음파를 통해 각 개별 공정에 대한 스위트 스폿을 찾을 수 있습니다.
뛰어난 전력 변환 외에도 초음파는 진폭, 압력, 온도, 점도 및 농도와 같은 가장 중요한 매개 변수를 완벽하게 제어 할 수있는 큰 이점을 제공합니다. 이는 각 특정 재료에 대한 이상적인 가공 매개변수를 찾기 위해 이러한 모든 매개변수를 조정할 수 있는 가능성을 제공합니다. 그 결과 효율성이 향상되고 효율성이 최적화됩니다.

발효 과정을 개선하기 위한 초음파, 바이오 에탄올 생산과 함께 예시적으로 설명

바이오 에탄올은 혐기성 또는 호기성 박테리아에 의한 바이오매스 또는 생분해성 폐기물의 분해 산물입니다. 생산된 에탄올은 주로 바이오 연료로 사용됩니다. 따라서 바이오 에탄올은 천연 가스와 같은 화석 연료에 대한 재생 가능하고 환경 친화적인 대안이 됩니다.
바이오매스에서 에탄올을 생산하기 위해 설탕, 전분 및 리그노셀룰로오스 물질을 공급 원료로 사용할 수 있습니다. 산업 생산 규모의 경우 설탕과 전분이 경제적으로 유리하기 때문에 현재 우세합니다.
초음파가 주어진 조건에서 특정 공급 원료를 사용하여 고객-개별 공정을 개선하는 방법은 타당성 테스트를 통해 매우 간단하게 시도 할 수 있습니다. 첫 번째 단계에서, 초음파로 소량의 원료 슬러리를 초음파 처리합니다 실험실 장치 초음파가 공급 원료에 영향을 미치면 표시됩니다.

타당성 테스트

첫 번째 테스트 단계에서는 상대적으로 높은 양의 초음파 에너지를 소량의 액체에 도입하는 것이 적합하므로 결과를 얻을 수 있는지 확인할 기회가 증가합니다. 또한 소량의 시료는 실험실 장치 사용 시간을 단축하고 첫 번째 테스트 비용을 절감합니다.
초음파는 sonotrode의 표면에 의해 액체로 전달됩니다. Sonotrode 표면의 Beneth, 초음파 강도가 가장 강렬합니다. 따라서, sonotrode와 초음파 처리 된 물질 사이의 짧은 거리가 선호됩니다. 작은 액체 부피가 노출되면 sonotrode로부터의 거리를 짧게 유지할 수 있습니다.
아래 표는 최적화 후 초음파 처리 공정의 일반적인 에너지 / 부피 수준을 보여줍니다. 첫 번째 시험은 최적의 구성으로 실행되지 않기 때문에 일반적인 값의 10-50 배까지 초음파 처리 강도와 시간이 초음파 처리 된 재료에 효과가 있는지 여부를 보여줍니다.

프로세스	에너지/ 음량	시료 부피	힘	시간
간단한	< 100Ws/mL	10mL	50와트	< 20초
보통	100Ws/mL 내지 500Ws/mL	10mL	50와트	20 - 100초
힘들다	> 500Ws/mL	10mL	50와트	>100초

표 1 – 프로세스 최적화 후의 일반적인 초음파 처리 값

테스트 실행의 실제 전원 입력은 통합 데이터 기록(UP200HT 및 UP200St), PC 인터페이스 또는 파워미터. 진폭 설정 및 온도에 대한 기록된 데이터와 함께 각 시험의 결과를 평가하고 에너지/부피에 대한 결론을 설정할 수 있습니다.
테스트 중에 최적의 구성을 선택한 경우 최적화 단계에서 이 구성 성능을 확인할 수 있으며 최종적으로 상용 수준으로 확장할 수 있습니다. 최적화를 용이하게하려면 특정 제형에 대한 온도, 진폭 또는 에너지 / 부피와 같은 초음파 처리의 한계를 검사하는 것이 좋습니다. 초음파는 세포, 화학 물질 또는 입자에 부정적인 영향을 미칠 수 있으므로 부정적인 효과가 관찰되지 않는 매개 변수 범위로 다음 최적화를 제한하기 위해 각 매개 변수에 대한 임계 수준을 검사해야합니다. 타당성 조사를 위해 소규모 실험실 또는 벤치탑 장치를 사용하여 이러한 시험에서 장비 및 샘플에 대한 비용을 제한하는 것이 좋습니다. 일반적으로 100-1,000와트 단위는 타당성 조사의 목적에 매우 적합합니다. (참조: Hielscher 2005)

최적화

타당성 조사 중에 달성된 결과는 처리된 소량에 대해 상당히 높은 에너지 소비를 보여줄 수 있습니다. 그러나 타당성 테스트의 목적은 주로 재료에 대한 초음파의 효과를 보여주는 것입니다. 타당성 테스트에서 긍정적인 효과가 발생하면 에너지/부피 비율을 최적화하기 위해 추가 노력을 기울여야 합니다. 이는 가능한 한 적은 에너지를 사용하여 최고의 수율을 달성하기 위해 초음파 매개변수의 이상적인 구성을 탐색하여 프로세스를 경제적으로 가장 합리적이고 효율적으로 만드는 것을 의미합니다. 최적의 파라미터 구성을 찾기 위해 – 최소한의 에너지 투입으로 의도한 이점 얻기 – 가장 중요한 파라미터 간의 상관 관계 진폭, 압력, 온도 그리고 액체 구성을 조사해야 합니다. 이 두 번째 단계에서는 압력의 중요한 매개 변수가 배치 초음파 처리에 영향을 미칠 수 없으므로 플로우 셀 반응기를 사용한 연속 초음파 처리로의 변경이 권장됩니다. 배치에서 초음파 처리 중에는 압력이 주변 압력으로 제한됩니다. 초음파 처리 과정이 가압 가능한 플로우 셀 챔버를 통과하면 압력이 상승 (또는 감소)될 수 있으며, 이는 일반적으로 초음파에 영향을 미칩니다 공동 현상 크게. 플로우 셀(flow cell)을 사용하면 압력과 공정 효율 간의 상관 관계를 결정할 수 있습니다. 초음파 프로세서 사이 500 와츠 그리고 2000 와츠 의 전력이 프로세스를 최적화하는 데 가장 적합합니다.

상업 생산으로 규모 확대

최적의 구성이 발견되면 초음파 공정과 마찬가지로 추가 확장이 간단합니다. 선형 스케일에서 완전히 재현 가능. 즉, 초음파가 동일한 처리 매개 변수 구성에서 동일한 액체 제형에 적용될 때 처리 규모에 관계없이 동일한 결과를 얻기 위해 부피 당 동일한 에너지가 필요합니다. (Hielscher 2005). 이를 통해 초음파의 최적 파라미터 구성을 전체 규모 생산 규모에 구현할 수 있습니다. 사실상 초음파로 처리할 수 있는 볼륨은 무제한입니다. 최대 상업용 초음파 시스템 16,000와트 단위당 사용할 수 있으며 클러스터에 설치할 수 있습니다. 이러한 초음파 프로세서 클러스터는 병렬 또는 직렬로 설치할 수 있습니다. 고출력 초음파 프로세서의 클러스터 단위 설치로 총 전력이 거의 무제한이므로 대용량 스트림을 문제없이 처리 할 수 있습니다. 또한 초음파 시스템의 적응이 필요한 경우, 예를 들어 매개 변수를 수정 된 액체 제형으로 조정하기 위해, 이는 대부분 sonotrode, 부스터 또는 플로우 셀을 변경하여 수행 할 수 있습니다. 초음파의 선형 확장성, 재현성 및 적응성은 이 혁신적인 기술을 효율적이고 비용 효율적으로 만듭니다.

초음파 처리의 매개 변수

초음파 액체 처리는 여러 매개 변수로 설명됩니다. 가장 중요한 것은 진폭, 압력, 온도, 점도 및 농도입니다. 주어진 파라미터 구성에 대한 입자 크기와 같은 공정 결과는 처리된 부피당 에너지의 함수입니다. 함수는 개별 매개변수의 변경에 따라 변경됩니다. 또한, 초음파 장치의 sonotrode의 표면적 당 실제 전력 출력은 매개 변수에 따라 다릅니다. sonotrode의 표면적 당 전력 출력은 표면 강도 (I)입니다. 표면 강도는 진폭(A), 압력(p), 반응기 부피(VR), 온도(T), 점도(η) 등에 따라 달라집니다.

생성된 캐비테이션의 영향은 표면 강도에 따라 다릅니다. 같은 방식으로 프로세스 결과도 상관 관계가 있습니다. 초음파 장치의 총 전력 출력은 표면 강도 (I)와 표면적 (S)의 곱입니다.

p [W] 나는 [W / 밀리미터²]* s[밀리미터²]

진폭

진동의 진폭은 sonotrode 표면이 주어진 시간 (예 : 20kHz에서 1/20,000s) 동안 이동하는 방식 (예 : 50 μm)을 설명합니다. 진폭이 클수록 각 스트로크에서 압력이 낮아지고 증가하는 속도가 높아집니다. 그 외에도 각 스트로크의 체적 변위가 증가하여 더 큰 캐비테이션 체적(기포 크기 및/또는 수)이 생성됩니다. 분산에 적용할 때 진폭이 높을수록 고체 입자에 대한 파괴력이 더 높습니다. 표 1은 일부 초음파 공정에 대한 일반적인 값을 보여줍니다.

압력

액체의 끓는점은 압력에 따라 다릅니다. 압력이 높을수록 끓는점이 높아지고 그 반대입니다. 압력이 높아지면 끓는점에 가깝거나 그 이상의 온도에서 캐비테이션이 가능합니다. 또한 기포 내부의 정압과 증기압의 차이와 관련된 내파의 강도를 증가시킵니다(Vercet et al. 1999 참조). 초음파의 힘과 강도는 압력 변화에 따라 빠르게 변하기 때문에 정압 펌프가 바람직합니다. 플로우 셀에 액체를 공급할 때 펌프는 적절한 압력에서 특정 액체 흐름을 처리할 수 있어야 합니다. 다이어프램 또는 멤브레인 펌프; 플렉시블 튜브, 호스 또는 스퀴즈 펌프; 연동 펌프; 또는 피스톤 또는 플런저 펌프는 교류 압력 변동을 생성합니다. 원심 펌프, 기어 펌프, 나선형 펌프 및 지속적으로 안정적인 압력으로 초음파 처리 할 액체를 공급하는 프로그레시브 캐비티 펌프가 선호됩니다. (Hielscher 2005년)

온도

액체를 초음파 처리하면 전력이 매체로 전달됩니다. 초음파로 생성 된 진동이 난기류와 마찰을 일으키기 때문에 초음파 처리 된 액체 - 열역학 법칙에 따라 – 뜨거워집니다. 처리 된 매체의 온도 상승은 재료를 파괴하고 초음파 캐비테이션의 효과를 감소시킬 수 있습니다. 혁신적인 초음파 플로우 셀에는 냉각 재킷이 장착되어 있습니다(그림 참조). 이를 통해 초음파 처리 중 재료의 온도를 정확하게 제어할 수 있습니다. 더 작은 부피의 비커 초음파 처리의 경우 방열을 위한 얼음 목욕이 권장됩니다.

점도와 농도

초음파의 밀링 그리고 분산 액체 공정입니다. 입자는 현탁액(예: 물, 오일, 용제 또는 수지)에 있어야 합니다. 초음파 플로우 스루 시스템을 사용하면 점성이 높고 반죽 같은 물질을 초음파 처리 할 수 있습니다.
고출력 초음파 프로세서는 상당히 높은 고형물 농도에서 실행할 수 있습니다. 높은 농도는 초음파 밀링 효과가 입자 간 충돌에 의해 발생하기 때문에 초음파 가공의 효과를 제공합니다. 조사에 따르면 실리카의 파손률은 최대 50 중량%의 고체 농도와 무관합니다. 고농도 물질의 비율로 마스터 배치를 처리하는 것은 초음파를 사용하는 일반적인 생산 절차입니다.

힘과 강도 vs. 에너지

표면 강도와 총 전력은 처리 강도만 설명합니다. 초음파 처리 된 샘플 부피와 특정 강도에서의 노출 시간은 확장 가능하고 재현 가능하게하기 위해 초음파 처리 과정을 설명하는 데 고려되어야합니다. 주어진 파라미터 구성에서 공정 결과(예: 입자 크기 또는 화학적 변환)는 부피당 에너지(E/V)에 따라 달라집니다.

결과 = F (E /V )

여기서 에너지(E)는 전력 출력(P)과 노출 시간(t)의 곱입니다.

E[승] = p[W]*t[s]

매개 변수 구성을 변경하면 결과 함수가 변경됩니다. 이것은 차례로 특정 결과 값을 얻기 위해 주어진 샘플 값(V)에 필요한 에너지(E)의 양을 변화시킵니다. 이러한 이유로 결과를 얻기 위해 특정 초음파의 힘을 공정에 배치하는 것만으로는 충분하지 않습니다. 필요한 전력과 공정 재료에 전력을 투입해야 하는 매개변수 구성을 식별하기 위해 보다 정교한 접근 방식이 필요합니다. (Hielscher 2005년)

바이오 에탄올의 초음파 보조 생산

초음파가 바이오 에탄올 생산을 향상시킨다는 것은 이미 알려져 있습니다. 바이오매스로 액체를 걸쭉하게 하여 여전히 펌핑할 수 있는 고점도 슬러리로 만드는 것이 좋습니다. 초음파 반응기는 상당히 높은 고체 농도를 처리 할 수 있으므로 초음파 처리 과정이 가장 효율적으로 실행될 수 있습니다. 슬러리에 더 많은 물질이 함유 될수록 초음파 처리 과정에서 이익을 얻지 못하는 더 적은 캐리어 액체가 처리됩니다. 액체에 에너지를 입력하면 열역학 법칙에 따라 액체가 가열되기 때문에 이는 초음파 에너지가 가능한 한 대상 물질에 적용됨을 의미합니다. 이러한 효율적인 공정 설계에 의해, 과잉 캐리어 액체의 낭비적인 가열을 피할 수 있습니다.
초음파는 다음을 돕습니다. 추출 세포 내 물질의 효소 발효에 사용할 수 있게 합니다. 가벼운 초음파 치료는 효소 활성을 향상시킬 수 있지만 바이오매스 추출을 위해서는 더 강한 초음파가 필요합니다. 따라서, 강렬한 초음파가 효소를 비활성화하기 때문에 초음파 처리 후 효소를 바이오 매스 슬러리에 추가해야하며, 이는 바람직하지 않은 효과입니다.

과학적 연구에 의해 달성된 현재 결과:

볏짚에서의 바이오 에탄올 생산에 관한 Yoswathana et al. (2010)의 연구에 따르면 효소 처리 전 산 전처리와 초음파의 조합은 최대 44 % (볏짚 기준)의 설탕 수율 증가로 이어집니다. 이는 리그노셀룰로오스 물질을 당으로 효소 가수분해하기 전에 물리적 및 화학적 전처리의 조합의 효과를 보여줍니다.

도표 2는 볏짚에서 바이오 에탄올 생산 중 초음파 조사의 긍정적 인 효과를 그래픽으로 보여줍니다. (숯은 산/효소 전처리 및 초음파 전처리에서 전처리된 샘플을 해독하는 데 사용되었습니다.)

또 다른 최근 연구에서는 β-galactosidase 효소의 세포 외 및 세포 내 수준에 대한 초음파의 영향이 조사되었습니다. Sulaiman et al. (2011)은 Kluyveromyces marxianus (ATCC 46537)의 효모 성장을 자극하는 제어 온도에서 초음파를 사용하여 바이오 에탄올 생산의 생산성을 크게 향상시킬 수 있습니다. 논문의 저자는 ≤20 %의 듀티 사이클에서 파워 초음파 (20kHz)를 사용한 간헐적 인 초음파 처리가 11.8Wcm의 상대적으로 높은 초음파 처리 강도에서 K. marxianus의 바이오 매스 생산, 유당 대사 및 에탄올 생산을 자극했다고 재개합니다⁻². 최상의 조건에서 초음파 처리는 최종 에탄올 농도를 대조군에 비해 거의 3.5 배 향상시켰다. 이는 에탄올 생산성의 3.5 배 향상에 해당하지만 초음파 처리를 통해 국물 입방 미터 당 952W의 추가 전력 입력이 필요했습니다. 에너지에 대한 이러한 추가 요구 사항은 확실히 생물 반응기에 대해 허용 가능한 운영 기준 내에 있었으며 고부가가치 제품의 경우 생산성 향상으로 쉽게 보상할 수 있었습니다.

결론 : 초음파 보조 발효의 이점

초음파 처리는 바이오 에탄올 수율을 향상시키는 효율적이고 혁신적인 기술로 나타났습니다. 주로 초음파는 옥수수, 콩, 짚, 리그노 셀룰로오스 물질 또는 식물성 폐기물과 같은 바이오매스에서 세포 내 물질을 추출하는 데 사용됩니다.

• 바이오 에탄올 수율 증가
• 세포 내 물질의 Disinteration/ Cell destruction and release of intra-cellular material
• 향상된 혐기성 분해
• 온화한 초음파 처리에 의한 효소의 활성화
• 고농도 슬러리에 의한 공정 효율 향상

간단한 테스트, 재현 가능한 확장 및 쉬운 설치 (이미 존재하는 생산 스트림에서도)는 초음파를 수익성 있고 효율적인 기술로 만듭니다. 상업용 처리를위한 신뢰할 수있는 산업용 초음파 프로세서를 사용할 수 있으며 거의 무제한의 액체 부피를 초음파 처리 할 수 있습니다.