바이오 에탄올 생산을위한 초음파 보조 발효

발효

발효는 호기성 (= oxidative fermentation) 또는 혐기성 공정이 될 수 있으며, 이는 박테리아, 곰팡이 또는 다른 생물학적 세포 배양 또는 효소에 의해 유기 물질을 전환시키는 생물 공학 응용에 사용됩니다. 발효에 의해 유기 화합물, 예를 들어 탄수화물의 산화로부터 에너지가 추출된다.

설탕은 발효의 가장 일반적인 기질이며, 젖산, 젖당, 에탄올 및 수소와 같은 제품에서 발효 된 결과입니다. 알코올 발효의 경우 에탄올 - 특히 연료로 사용하기위한 것이지만 알코올 음료의 경우에도 사용합니다. – 발효에 의해 생산된다. 특정 효모 균주 (예 : 사카로 마이 세스 세레 비시 애 효모 세포는 당분을 에탄올과 이산화탄소로 전환시킨다.

아래의 화학 반응식은 전환율을 요약합니다.

출발 물질이 전분, 예를 들면 옥수수 인 경우, 전분은 당으로 전환되어야한다. 연료로 사용되는 바이오 에탄올의 경우, 전분 전환을위한 가수 분해가 필요합니다. 전형적으로, 가수 분해는 산성 또는 효소 처리 또는 둘의 조합에 의해 가속화된다. 일반적으로 발효는 약 35-40 ° C에서 수행됩니다.
다양한 발효 공정 개요 :

음식 :

• 생산 & 보존
• 유제품 (젖산 발효), 예 : 요구르트, 버터 밀크, 케 피어
• 된장, 발효 야채, 김치, 된장, 낫토, 쓰케 모노, 소금에 절인 양배추
• 방향제의 개발, 예를 들면 간장
• 유제, 예를 들면 차, 코코아, 커피, 담배의 분해
• 주류, 예 : 맥주, 와인, 위스키

마약 :

• 인슐린, 히알루 론산 등의 의료용 화합물의 생산

바이오 가스 / 에탄올 :

• 바이오 가스 / 바이오 에탄올 생산 개선

다양한 연구 논문과 벤치 탑 및 파일럿 규모의 테스트 결과, 초음파는 효소 발효를 위해 더 많은 바이오 매스를 이용할 수있게함으로써 발효 과정을 개선한다는 것을 보여주었습니다. 다음 섹션에서는 액체의 초음파 효과에 대해 자세히 설명합니다.

초음파 액체 처리의 효과

고출력 / 저주파 초음파에 의해 높은 진폭이 생성 될 수 있습니다. 따라서, 고출력 / 저주파 초음파는 혼합, 유화, 분산 및 응집 제거 또는 분쇄와 같은 액체의 처리에 사용될 수있다.
높은 강도로 액체를 초음파 처리 할 때, 액체 매체로 전파되는 음파는 빈번하게 주파수에 따라 고압 (압축) 및 저압 (희박) 사이클을 번갈아 발생시킵니다. 저압 사이클 동안, 고강도 초음파는 액체 내에 작은 진공 기포 또는 공극을 생성합니다. 기포가 더 이상 에너지를 흡수 할 수없는 부피에 도달하면 고압 사이클 중에 격렬하게 붕괴됩니다. 이 현상을 캐비테이션이라고합니다. 캐비테이션, 그건 “액체에서의 거품의 형성, 성장 및 파괴. 캐비테이션 붕괴 (Cavitational collapse)는 강렬한 국소 가열 (~ 5000K), 고압 (~ 1000atm), 엄청난 가열 및 냉각 속도>109 K/초)” 및 액체 제트 기류 (~ 400 km / h) ". (Suslick 1998)

고압 노즐, 회 전자 - 고정자 혼합기 또는 초음파 처리기와 같이 캐비테이션을 생성하는 다른 방법이 있습니다. 모든 시스템에서 입력 에너지는 마찰, 난기류, 파동 및 캐비테이션으로 변환됩니다. 캐비테이션으로 변환되는 입력 에너지의 비율은 액체에서 캐비테이션 발생 장비의 움직임을 설명하는 몇 가지 요인에 따라 달라집니다. 가속도의 강도는 에너지를 캐비테이션으로 효율적으로 변환시키는 데 영향을 미치는 가장 중요한 요소 중 하나입니다. 가속도가 높을수록 압력 차이가 커집니다. 이것은 액체를 통해 전파되는 파동이 생성되는 대신에 진공 기포가 생성 될 확률을 증가시킨다. 따라서 가속도가 높을수록 캐비테이션으로 변환되는 에너지의 비율이 높아집니다.
초음파 트랜스 듀서의 경우 진동 진폭은 가속 강도를 나타냅니다. 더 높은 진폭은 캐비테이션을보다 효과적으로 생성합니다. 강도 이외에, 액체는 난류, 마찰 및 파 발생과 관련하여 최소의 손실을 발생시키는 방식으로 가속되어야합니다. 이를 위해 최선의 방법은 일방적 인 운동 방향입니다. 초음파 처리의 강도와 매개 변수를 변경하면 초음파가 매우 어렵거나 매우 부드러워 질 수 있습니다. 이것은 초음파를 다양한 응용 분야에 매우 다양한 도구로 만듭니다.

온화한 조건에서 온화한 초음파 처리를 적용하는 부드러운 적용 가스 제거, 유화제, 및 효소 활성화. 고강도 / 고출력 초음파 (주로 고압)를 사용하는 하드 어플리케이션 습식 분쇄, 해체 & 입자 크기 감소 및 분산. 다음과 같은 많은 애플리케이션의 경우 추출, 분해 또는 sonochemistry요청 된 초음파 강도는 초음파 처리 될 특정 재료에 따라 달라집니다. 개별 프로세스에 적용 할 수있는 다양한 매개 변수를 통해 초음파를 사용하면 개별 프로세스마다 최적의 위치를 ​​찾을 수 있습니다.
탁월한 전력 변환 외에도 초음파 처리는 진폭, 압력, 온도, 점도 및 농도와 같은 가장 중요한 매개 변수를 완벽하게 제어 할 수있는 큰 이점을 제공합니다. 이것은 각각의 특정 재료에 대한 이상적인 가공 매개 변수를 찾는 목적으로 모든 매개 변수를 조정할 수있는 가능성을 제공합니다. 그 결과 효율성은 물론 효율이 최적화됩니다.

바이오 에탄올 생산과 관련하여 설명 된 발효 공정 개선을위한 초음파

바이오 에탄올은 혐기성 또는 호기성 박테리아에 의한 폐기물의 생분해 성 물질 또는 바이오 매스의 분해 산물입니다. 생산 된 에탄올은 주로 바이오 연료로 사용됩니다. 이것은 바이오 에탄올을 천연 가스와 같은 화석 연료의 재생 가능하고 환경 친화적 인 대안으로 만듭니다.
바이오 매스로부터 에탄올을 생산하기 위해서는 설탕, 전분 및 리그 노 셀룰로오스 물질을 원료로 사용할 수 있습니다. 산업 생산 규모의 경우, 경제적으로 유리하기 때문에 현재 설탕과 전분이 우세합니다.
주어진 조건 하에서 특정 원료를 사용하여 고객 - 개별 프로세스를 개선하는 초음파는 타당성 테스트를 통해 매우 간단하게 시험 할 수 있습니다. 제 1 단계에서 소량의 원료 슬러리를 초음파로 초음파 처리 실험실 장치 초음파가 공급 원료에 영향을 미치는 경우 표시됩니다.

타당성 테스트

첫 번째 테스트 단계에서, 적은 양의 액체에 비교적 많은 양의 초음파 에너지를 도입하여 결과가 얻어 질 수있는 가능성을 높일 수 있습니다. 작은 샘플 볼륨은 또한 실험 장치를 사용하여 시간을 단축하고 첫 번째 테스트의 비용을 줄입니다.
초음파는 sonotrode의 표면에 의해 액체로 전달됩니다. Beneth sonotrode 표면, 초음파 강도가 가장 강렬합니다. 따라서, sonotrode와 sonicated material 사이의 거리가 짧습니다. 작은 액체 량이 드러날 때, sonotrode로부터의 거리는 짧게 유지 될 수 있습니다.
아래 표는 최적화 후 초음파 처리 공정의 일반적인 에너지 / 부피 수준을 보여줍니다. 첫 번째 시도는 최적의 구성으로 실행되지 않으므로 sonicated material에 영향을 주는지 아닌지에 따라 sonication 강도와 시간이 일반적인 값의 10 ~ 50 배로 나타납니다.

방법	에너지/ 음량	샘플 볼륨	힘	시각
단순한	< 100Ws / mL	10mL	50W	< 20 초
매질	100Ws / mL ~ 500Ws / mL	10mL	50W	20 ~ 100 초
단단한	> 500Ws / mL	10mL	50W	>100 초

1 번 테이블 – 공정 최적화 후의 일반적인 초음파 처리 값

테스트 실행의 실제 전력 입력은 통합 데이터 레코딩을 통해 레코딩 될 수 있습니다 (UP200Ht 및 UP200St), PC 인터페이스 또는 powermeter로 구성됩니다. 진폭 설정 및 온도의 기록 된 데이터와 함께 각 시험의 결과를 평가할 수 있으며 에너지 / 체적의 최종 결과를 얻을 수 있습니다.
테스트 중에 최적의 구성을 선택한 경우이 구성 성능은 최적화 단계에서 확인 될 수 있으며 최종적으로 상업 수준까지 확장 될 수 있습니다. 최적화를 용이하게하기 위해 특정 제형의 온도, 진폭 또는 에너지 / 부피와 같은 초음파 처리의 한계를 조사하는 것이 좋습니다. 초음파가 세포, 화학 물질 또는 입자에 부정적인 영향을 줄 수 있으므로 다음 최적화를 부정적인 효과가 관찰되지 않는 매개 변수 범위로 제한하기 위해 각 매개 변수의 임계 수준을 검사해야합니다. 타당성 조사를 위해 소규모 실험실 또는 벤치 탑 장치가 그러한 시험에서 장비 및 시료 비용을 제한하는 것이 좋습니다. 일반적으로 100 ~ 1,000 와트 단위가 타당성 조사의 목적을 잘 수행합니다. (참조, Hielscher 2005)

최적화

타당성 조사에서 얻어진 결과는 소량의 처리에 대해 상당히 높은 에너지 소비를 보일 수 있습니다. 그러나 타당성 테스트의 목적은 주로 재료에 초음파의 영향을 보여주기위한 것입니다. 타당성 테스트에서 긍정적 인 효과가 발생했다면, 에너지 / 체적비를 최적화하기위한 더 많은 노력이 이루어져야합니다. 이것은 공정을 경제적으로 가장 합리적이고 효율적으로 만드는 데 가능한 적은 에너지를 사용하여 최고 수율을 달성하기 위해 초음파 매개 변수의 이상적인 구성을 탐구하는 것을 의미합니다. 최적의 매개 변수 구성을 찾으려면 – 최소한의 에너지 입력으로 의도된 이점을 얻는 것 - 가장 중요한 매개 변수 간의 상관 관계 진폭, 압력, 온도 과 액체 구성을 조사해야합니다. 이 두 번째 단계에서는 batch sonication에서 압력의 중요한 매개 변수가 영향을받지 않기 때문에 배치 초음파 처리에서 플로우 셀 반응기를 사용한 연속 초음파 처리 설정으로 변경하는 것이 좋습니다. 배치에서 초음파 처리하는 동안 압력은 주위 압력으로 제한됩니다. 초음파 처리가 가압 가능한 플로우 셀 챔버를 통과하면, 압력은 일반적으로 초음파에 영향을주는 (또는 감소 될 수있다) 캐비테이션 크게. 플로우 셀을 사용함으로써 압력과 공정 효율 사이의 상관 관계를 결정할 수 있습니다. 사이의 초음파 프로세서 500 와트 과 2000 와트 프로세스의 최적화에 가장 적합합니다.

상업 생산 규모까지 확장

최적의 구성이 발견되면 초음파 공정이 더 간단하여 더 큰 스케일 업이 가능합니다. 선형 눈금으로 완전히 재현 가능. 즉, 동일한 처리 매개 변수 구성으로 동일한 액체 제형에 초음파를 적용하면 처리 규모에 관계없이 동일한 결과를 얻으려면 볼륨 당 동일한 에너지가 필요합니다. (Hielscher 2005). 따라서 초음파의 최적 매개 변수 구성을 본격적인 생산 규모로 구현할 수 있습니다. 사실상, 초음파로 처리 할 수있는 볼륨은 무제한입니다. 상업용 초음파 시스템 16,000 와트 단위당 사용 가능하며 클러스터에 설치할 수 있습니다. 이러한 초음파 프로세서의 클러스터는 병렬 또는 직렬로 설치 될 수 있습니다. 고출력 초음파 프로세서의 클러스터 방식 설치로 총 전력은 거의 무제한이므로 대용량 스트림을 문제없이 처리 할 수 ​​있습니다. 또한 수정 된 액체 제재에 매개 변수를 조정하는 것과 같이 초음파 시스템을 사용해야하는 경우에는 주로 sonotrode, booster 또는 flow cell을 변경하여 수행 할 수 있습니다. 선형 확장 성, 재현성 및 적응력으로이 혁신적인 기술은 효율적이고 비용 효율적입니다.

초음파 가공의 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 처리 된 체적 당 에너지의 함수입니다. 개별 매개 변수의 변경으로 기능이 변경됩니다. 또한 초음파 장치의 sonotrode 표면적 당 실제 출력은 매개 변수에 따라 다릅니다. sonotrode의 표면적 당 출력은 표면 강도 (I)입니다. 표면 강도는 진폭 (A), 압력 (P), 반응기 부피 (VR), 온도 (T), 점도 (η) 등에 따라 달라집니다.

생성 된 캐비테이션의 영향은 표면 강도에 달려 있습니다. 같은 방법으로 프로세스 결과가 서로 관련됩니다. 초음파 장치의 총 출력은 표면 강도 (I)와 표면적 (S)의 곱입니다.

피 [승] 나는 [승 / mm²] * 에스[mm²]

진폭

진동의 진폭은 주어진 시간 (예 : 20kHz에서 1 / 20,000s)에서 sonotrode 표면이 이동하는 방식 (예 : 50μm)을 나타냅니다. 진폭이 클수록 압력이 낮아지고 각 스트로크에서 증가하는 비율이 높아집니다. 그 외에도 각 스트로크의 용적 변위가 커져 캐비테이션 용적 (기포 크기 및 / 또는 수)이 커집니다. 분산액에 적용될 때, 진폭이 높을수록 고체 입자에 대한 파괴성이 높아집니다. 표 1은 일부 초음파 공정의 일반 값을 보여줍니다.

압력

액체의 비등점은 압력에 의존한다. 압력이 높을수록 끓는점이 높아지고 반대로됩니다. 상승 된 압력은 비등점 이상의 온도에서 캐비테이션을 가능하게합니다. 이것은 또한 내압의 강도를 증가시킨다. 이것은 거품 내부의 정압과 증기압의 차이와 관련이있다 (Vercet et al., 1999). 압력의 변화에 ​​따라 초음파 파워와 강도가 빠르게 변하기 때문에 정압 펌프가 바람직합니다. 플로우 셀에 액체를 공급할 때 펌프는 적절한 압력에서 특정 액체 흐름을 처리 할 수 ​​있어야합니다. 다이어프램 또는 멤브레인 펌프; 가요 성 튜브, 호스 또는 스퀴즈 펌프; 연동 펌프; 또는 피스톤 또는 플런저 펌프가 교대 압력 변동을 일으킬 수 있습니다. 연속적으로 안정한 압력에서 초음파 처리 될 액체를 공급하는 원심 펌프, 기어 펌프, 나선형 펌프 및 진보적 인 공동 펌프가 선호된다. (Hielscher 2005)

온도

액체를 초음파 처리함으로써, 힘이 매체에 전달됩니다. 초음파가 발생하는 진동은 난류와 마찰을 일으키고 초음파 처리 된 액체는 열역학 법칙에 따라 – 더위가 올 것이다. 처리 된 매체의 온도가 상승하면 재료가 파괴되어 초음파 캐비테이션의 효과가 감소 될 수 있습니다. 혁신적인 초음파 흐름 셀에는 냉각 재킷이 장착되어 있습니다 (그림 참조). 이를 통해 초음파 처리 중 재료의 온도를 정확하게 제어 할 수 있습니다. 소량의 비커 초음파 처리를 위해서는 방열을위한 얼음 욕을 권장합니다.

점도 및 농도

초음파 갈기 과 분산 액체 공정입니다. 입자는 물, 기름, 용매 또는 수지와 같은 현탁액에 있어야합니다. 초음파 플로우 스루 (flow-through) 시스템을 사용하여 점성이 높고 끈적 끈적한 재료를 초음파 처리 할 수 ​​있습니다.
고출력 초음파 프로세서는 상당히 높은 고형물 농도에서 작동 할 수 있습니다. 초음파 밀링 효과는 입자 간 충돌로 인해 발생하므로 고농도는 초음파 처리의 효율성을 제공합니다. 조사에 따르면 실리카의 파손 율은 최대 50 중량 %까지 고형물 농도와 독립적입니다. 고농축 재료비의 마스터 배치 처리는 초음파 처리를 사용하는 일반적인 생산 절차입니다.

힘과 강도 대 에너지

표면 강도와 총 출력은 처리 강도만을 나타냅니다. 초음파 처리 된 샘플 볼륨과 특정 세기의 노출 시간은 확장 가능하고 재현성있게하기 위해 초음파 처리 프로세스를 설명하기 위해 고려되어야합니다. 주어진 매개 변수 구성에 대해 프로세스 결과, 예를 들어 입자 크기 또는 화학적 전환은 볼륨 당 에너지 (E / V)에 따라 달라집니다.

결과 = 에프 (이자형 /V )

여기서 에너지 (E)는 출력 (P)과 노출 시간 (t)의 곱입니다.

이자형[Ws] = 피[승] *티[에스]

매개 변수 구성을 변경하면 결과 함수가 변경됩니다. 이것은 차례로 특정 결과 값을 얻기 위해 주어진 샘플 값 (V)에 필요한 에너지 (E)를 변화시킵니다. 이러한 이유로 결과를 얻기 위해 특정 초음파 출력을 프로세스에 배치하는 것만으로는 충분하지 않습니다. 필요한 전력과 프로세스 물질에 전력을 투입해야하는 매개 변수 구성을 식별하려면보다 복잡한 접근이 필요합니다. (Hielscher 2005)

바이오 에탄올의 초음파 보조 생산

초음파가 바이오 에탄올 생산을 향상 시킨다는 것은 이미 알고 있습니다. 바이오 매스가 함유 된 액체를 펌핑 할 수있는 매우 점성이 높은 슬러리로 두껍게하는 것이 좋습니다. 초음파 반응기는 매우 높은 고형물 농도를 처리 할 수 ​​있으므로 초음파 처리가 가장 효율적으로 수행 될 수 있습니다. 슬러리에 더 많은 물질이 함유되어 있으면, 초음파 처리 과정에서 이익을 얻지 못하는 담체 액체가 덜 처리됩니다. 액체로의 에너지 투입이 열역학의 법칙에 의해 액체의 가열을 유발하기 때문에, 이것은 가능한 한 초음파 에너지가 표적 물질에 적용된다는 것을 의미합니다. 이러한 효율적인 공정 설계에 의해, 과잉 담체 액체의 낭비적인 가열이 방지된다.
초음파는 추출 효소 발효를 가능하게한다. 가벼운 초음파 처리는 효소 활성을 향상시킬 수 있지만 바이오 매스 추출을 위해서는보다 강렬한 초음파가 필요합니다. 따라서, 효소는 강한 초음파가 효소를 불 활성화하기 때문에 초음파 처리 후에 바이오 매스 슬러리에 첨가되어야하는데, 이는 바람직한 효과가 아니다.

과학 연구에 의해 얻어진 현재 결과 :

Yoswathana 등의 연구 (2010)은 볏짚에서 바이오 에탄올 생산과 관련하여 산 처리 전과 초음파 처리가 효소 처리 전까지 볏짚 기반에서 최대 44 %의 증가 된 수확량을 나타냄을 보여 주었다. 이것은 설탕에 대한 리그 노 셀룰로오스 물질의 효소 적 가수 분해 전의 물리적 및 화학적 전처리의 조합의 효과를 보여준다.

도표 2는 볏짚에서 생체 에탄올을 생산하는 동안 초음파 조사가 그래픽으로 나타나는 긍정적 효과를 보여줍니다. (목탄은 전처리 된 샘플을 산 / 효소 전처리 및 초음파 전처리에서 해독하는 데 사용되었습니다.)

다른 최근의 연구에서, β- 갈 락토시다 제 효소의 세포 외 및 세포 내 수준에 대한 초음파의 영향이 조사되었다. 술레이 만 (Sulaiman) 등 (2011)는 Kluyveromyces marxianus (ATCC 46537)의 효모 증식을 자극하는 조절 된 온도에서 초음파를 사용하여 바이오 에탄올 생산의 생산성을 실질적으로 향상시킬 수 있습니다. 논문의 저자들은 11.8Wcm의 상대적으로 높은 초음파 강도에서 K. marxianus에서 20 % 이하의 듀티 사이클 (duty cycle)에서 바이오 매스 생산, 유당 대사 및 에탄올 생산을 권력 초음파 (20kHz)로 간헐적으로 초음파 처리하는 것을 재개했다.^-2. 최상의 조건에서, 초음파 처리는 최종 에탄올 농도를 대조군에 비해 거의 3.5 배 향상시켰다. 이것은 에탄올 생산성의 3.5 배 향상에 해당하지만, 초음파 처리를 통해 수 세제 1m3 당 952W의 추가 전력 투입이 필요했습니다. 이러한 에너지 요구량은 생물 반응기에 대한 수용 가능한 운영 기준 내에서 확실하게 나타 났으며, 고 부가가치 제품의 경우 생산성 증가로 쉽게 보상 될 수있었습니다.

결론 : Ultrasonically-Assisted Fermentation의 이점

초음파 처리는 바이오 에탄올 생산량을 향상시키는 효율적이고 혁신적인 기술로 나타났습니다. 주로 초음파는 옥수수, 콩, 빨대, 리그 노 셀룰로오스 물질 또는 식물성 폐기물과 같은 바이오 매스에서 세포 내 물질을 추출하는 데 사용됩니다.

• 바이오 에탄올 생산량 증가
• 세포 내 물질의 분열 / 세포 분열 및 방출
• 개선 된 혐기성 분해
• 온화한 초음파로 효소 활성화
• 고농도 슬러리를 이용한 공정 효율 향상

간단한 테스트, 재현성있는 스케일 업 및 쉬운 설치 (기존의 생산 흐름에서도)는 초음파를 수익성 있고 효율적인 기술로 만듭니다. 상업적 가공을위한 신뢰할 수있는 산업용 초음파 프로세서가 제공되며 사실상 무제한의 액체 량을 초음파 처리 할 수 ​​있습니다.