Hielscher Ultraschall Technologie

Ultraschall assistéiert Fermentatioun fir Bioethanol Produktioun

Fermentatioun

Fermentatioun kann eng aerobeartesch (= oxidative Fermentatioun) oder anaerobe Prozedur sinn, déi fir biotechnologesch Applikatiounen benotzt ginn, fir organesch Material vu bakterielle, Pilz oder aner biologesch Zellkulturen ëmzekippen oder duerch Enzyme. Duerch d'Fermentatioun gëtt d'Energie aus der Oxidatioun vun organesche Verbindungen extrazéiert, zB Kohbhydraten.

Zocker ass de gréissten Trimester vun der Fermentatioun, déi nom Fermentatioun an Produkter wéi Milchsäure, Laktos, Ethanol a Waasserstoff resultéiert. Fir alkoholescht Fermentatioun, Ethanol - besonnesch fir den Gebrauch als Brennstoff, awer och fir alkoholescht Gedrénks – gëtt duerch Fermentatioun produzéiert. Wann verschidden Hefstenstrenge wéi Saccharomyces cerevisiae Zocker metaboliséieren, d'Hefeltalzer hunn d'Ausgangsmaterial ëm Ethanol a Kuelendioxid ëmgewandelt.

Déi chemesch Bestëmmungen ënnerhalb vun der Konversatioun:

An der gemeinsamer Bioethanol-Produktioun gëtt Zocker duerch Fermentatioun ëmgewandelt a Milzsäure, Laktose, Äthanol a Waasserstoff.

Déi chemesch Bestëmmungen sinn d'Konversioun a Bioethanol zesummegefaasst.

Wann de Ausgangsmaterial Stärke, z. B. vum Mais ass, muss d'Kraaft zesummegesat ginn an Zocker. Fir Bioethanol als Brennstoff ze benotzen ass d'Hydrolyse fir d'Krautkonversioun néideg. Typesch gesi gëtt d'Hydrolyse duerch sauer oder enzymatesch Behandlung oder duerch Kombinatioun beides beschleunegt. Normalerweis gëtt d'Fermentatioun un ongeféier 35-40 ° C ausgeführt.
Iwwersiicht iwwer verschiddene Fermentatiounsprozess:

Iessen:

  • Produktioun & Erhalen
  • Molkerei (Milchsäurefermentatioun), zB Joghurt, Buttermilk, Kefir
  • Mëllech verbléckt Geméis, zB Kimchi, Miso, Natto, Tsukemono, Sauerkraut
  • Entwécklung vun Aromaten, zB Sojazooss
  • Dekonposition vun Solaranlagen, zB Téi, Kakao, Kaffi, Tubak
  • alkoholesch Getränke, zB Béier, Wäin, Whisky

Drogen:

  • Produktioun vun de medezinesche Verbindunge wéi zB Insulin, Hyaluronsäure

Biogas / Ethanol:

  • Verbesserung vun der Biogas / Bioethanolproduktioun

Verschidden Forschungspapieren an Tester am Bank-Top an Pilotgréisst weisen datt den Ultraschall de Fermentatiounsprozess verbessert, méi Biomass fir d'enzymatesch Fermentatioun ze maachen. Am folgendem Abschnitt sinn d'Effekter vum Ultraschall an enger Liquiditéit ausgeaarbecht ginn.

Ultraschallreaktoren verstäerken Biodiesel Rendement a Veraarbechtung Effizienz!

Bioethanol kann aus Sonnenflowerställ, Mais, Zuckerkierper etc. produzéiert ginn.

Effekte vun der Ultraschall Flüssegпрацоўéierung

Duerch High-Power / Low-Frequenz Ultraschall héich Amplituden kënnen entstoen. Duerfir kann en Héichkraaft / Null-Frequenz-Ultraschall zur Veraarbechtung vu Flëssegkeete benotzt ginn, wéi zum Beispill Mëschen, Emulgéieren, Dispergéieren a Dekagglomeratioun oder Fräsen.
Wann d'Flëssegkeete bei Héichentzündelen klëmmt, hunn d'Schallwellen, déi an de Flammmëttel verbreet sinn, zu alternéierende High Pressure (Kompressioun) an Ënnerdréckungszyklen (niddreg). Während dem Drock-Zyklus, héich Ultraschallwellen erstallt kleng Vakuumbelueden oder Helleg an der Liquiditéit. Wann d'Blasen zu engem Volume bäibehalen, bei deem se net méi Energie méi absorbéieren kënnen, briechen si heft während e staarken Drock Zyklus. Dëse Phänomen gëtt als Kavitation genannt. Kavitation, dat ass “d'Formation, d'Wuesstem an d'implosiv Kraaft vu Blasen an enger Flësseg. Cavitational Kollaps produzéiert intens lokal Heizung (~ 5000 K), héicht Drénken (~ 1000 Atm) an enorme Heizheizungs- a Killraten (>109 K / sec)” a Flëssegkeetsrëften (~ 400 km / h) ". (Suslick 1998)

Chemesch Struktur vun Ethanol

Strukturell Formel vun Ethanol

Et gi verschidde Méiglechkeeten fir Kavitation ze kreéieren, wéi z. B. duerch Héichdüsen, Rotorstatmaker oder Ultraschallveraarbechter. An all déi Systemer gëtt d'Input-Energie ëm Reibung, Turbulenzen, Wellen a Kavitation transforméiert. De Bruch vun der Inputergie, déi an d'Kavitation ëmgewandelt gëtt, hängt vu verschiddene Faktoren, déi d'Bewegung vun der Kavitation generéieren Ausrüstung an der Flëssegkeet beschreift. D'Intensitéit vun der Beschleunegung ass ee vun de wichtegsten Faktoren, déi d'efficace Transformation vun Energie an Kavitation beaflossen. Héich Beschleunegung entsteet méi héicht Drockunterschiede. Dëst ëmfaasst d'Wahrscheinlechkeet fir d'Erschaaft vu Vakuumbéierungen ze erhéijen anstatt datt d'Wellen aus der Flëssegau ze verbrennen. Dofir ass de méi héicht d'Beschleunigung de méi héicht den Deel vun der Energie, déi an Kavitation ëmgewandelt gëtt.
Am Fall vun engem Ultraschallwandler beschreift d'Amplitude vun der Oszillatioun d'Intensitéit vun der Beschleunegung. Héich Amplituden erreecht eng méi effektiv Schafung vu Kavitationen. Niewent der Intensitéit muss d'Flësseg soll beschleunegt ginn fir minimale Verloschter am Hibléck op Turbulenzen, Reibung an der Welle Generatioun ze maachen. Dofir ass déi optimal Manéier eng unilateral Bewegungsrichtung. Äntwerte vun der Intensitéit an de Parameter vum Opléisungsprozess, Ultraschall ka ganz schwéier oder ganz mëll sinn. Dëst mécht Ultraschall e ganz versatile Tool fir verschidde Applikatiounen.
Compact and powerful ultrasonic lab devices allow for simple testings in small scale to evaluate process feasibility

Bild 1 – Ultraschalaborateur UP100H (100 Watt) fir Machbarkeet Tester

Soft Applikatiounen, an de milden sonication ënnert milden Zoustëmmungen applizéieren degasséiert, An Emulgéiertan d'Enzymaktivéierung. Hard Applikatioune mat héich Intensitéit / High-Power-Ultraschall (meeschtens ënner erhéichte Drock) sinn naass Fräiraum, An Dekagglomeratioun & Gréisst vun der Partikelgréisst, a ufänken. Fir vill Applikatiounen wéi Extraktioun, Zerfall oder Sonochemie, déi Ultraschallintensitéit, déi gefrot gëtt, hänkt vun dem spezifesche Material, dee gesondert ass. Duerch d'Vielfalt vun Parameteren, déi op den individuellen Prozess adaptéiert kënne ginn Ultraschall erméiglecht et de Séiss Fleck fir all eenzelne Prozess.
Nieft enger exzellenter Muechtkonversatioun bidd Ultraschall den grousse Virdeel vu volle Kontrollen iwwert déi wichtegst Parameteren: Amplitude, Druck, Temperatur, Viskositéit a Konzentratioun. Dëst bitt d'Méiglechkeet fir all dës Parameteren mat dem Zil z'aktuéieren déi ideal Portemonnaie fir all spezifesch Material ze fannen. Dëst Resultat héicher Effektivitéit wéi och an optimistesch Effizienz.

Ultrasound fir Verbrennungsprozeduren ze verbesseren, erkläert eplikéiert mat der Bioethanol-Produktioun

Bioethanol ass e Produkt vun der Zersetzung vun der Biomass oder der biologesch abegraff Material vum Offall duerch anaerobe oder aerobe Bakterien. De produzéierte Ethanol gëtt haaptsächlech als Biokraftstoff benotzt. Dëst mécht Bioethanol eng erneierbar an ëmweltfrëndlech Alternative fir fossile Brennstoffer wéi Äerdgas.
Fir Äthanol aus Biomass z'erreechen ass Zocker, Stärst a Lignozellulosematerial als Eeër benotzt. Bei der Industrieproduktioun, Zocker a Stärke si momentan dominant wéi si wirtschaftlech gënschteg sinn.
Wéi Ultraschall verbessert en Client individuellen Prozess mat spezifesche Ressourcen ënner bestëmmten Bedéngungen kann ganz einfach duerch Realiséierungsproblemer probéieren. Am éischte Schrëtt, d'Unerkennung vun enger geräicher Quantitéit vum richtege Material mat Schläim mat engem Ultraschall Laboratoire ginn weist, ob Ultraschall den Haaptbunnen beaflosst.

Machbarkeet Testen

An der éischter Testerphase ass et gutt, e relativ héicht Betrag vun der Ultraschallenergie an e klengt Volumen vu Flëss ze importéieren, sou d'Ziler erhéicht fir ze kucken, ob keng Resultater kritt ginn. Eng kleng Probevolumen verkierzt och d'Zäit mat engem Laborgerät a reduzéiert d'Käschte fir déi éischt Tester.
D'Ultraschallwellen sinn duerch d'Sonotrode d'Uewerfläch an d'Flësseggaass. Beneth d'sonotrode Uewerfläch, d'Ultraschallintensitéit ass intensiv. Duerfir sinn kuerzt Distanzen tëscht Sonotrode a sonikotéiertem Material bevorzugt. Wann e klengen Flëssvolumen ausgesat ass, kënnt d'Distanz aus der Sonotrode kuerz ze halen.
D'Tabellner ënnendrënner typesch Energie / Volume Nivo fir Oplangungsprozess nei Optimiséierung. Well déi éischt Verspriechen net op enger optimaler Konfiguratioun lafen, ass d'Sonikatiounsintensitéit an d'Zäit ëm 10 bis 50-fache vum typesche Wäert ze gesinn, ob et eventuell Auswierkunge vum sonikéierte Material ass oder net.

Prozess

Energie /

Volume

Probe Volume

Power

Zäit

Einfach

< 100Ws / ml

10mL

50W

< 20 Sekonnen

Mëttel

100Ws / mL bis 500Ws / mL

10mL

50W

20 bis 100 sec

Hard

> 500Ws / mL

10mL

50W

>100 Sekonnen

Dësch 1 – Typesch Sonnefaktoren nom Prozessvirgang

Déi tatsächlech Input vun den Testlächer kann duerch integréiert Datenerfassung opgeholl ginn (UP200Ht an UP200St), PC-Interface oder duerch Powermeter. A Kombinatioun mat den gespäicherten Dateie vun der Amplitude vun der Temperatur a kënnen d'Resultate vun all Versuch ermittelt ginn an eng Bottom Line fir d'Energie / Volume kann agefouert ginn.
Wann während den Tester eng optimal Konfiguratioun gewielt gouf, konnt dës Konfiguratiounseffectivitéit während engem Optimisatiounsstitt verifizéiert ginn a kéint schliisslech op kommerzieller Basis geschriwwe ginn. Fir d'Optimiséierung ze erliichteren ass et drëm ze recommandéieren, d'Grenzen vun der Opléisung, zB Temperatur, Amplitude oder Energie / Volume fir spezifesch Formulierungen ze iwwerpréiwen. Als Ultraschall kann negativ Auswierkungen op Zellen, Chemikalien oder Partikeln generéieren, déi kritesch Niveauen fir all Parameter musse gepréift ginn fir d'folgend Optimiséierung op den Parameterbereich ze limitéieren, wou déi negativ Auswierkungen net observéiert ginn. Fir der Machbarkeetsstudie Kleng Labo oder Bank-Top-Eenheeten sinn recommandéiert fir d'Ausgaben fir Ausrüstung a Prouf bei sou Versprieche limitéieren. Allgemeng 100 bis 1.000 Watt Eenheeten dierfen d'Zweck vun der Machbarkeetsstudie ganz gutt sinn. (vgl. Hielscher 2005)

Ultrasonic processes are easy to optimize and to scale up. This turns ultrasonication into an highly potential processing alternative to high pressure homogenizers, pearl and bead mills or three-roll mills.

Dësch 1 – Typesch Sonnefaktoren nom Prozessvirgang

Optiméierung

D'Resultater, déi an de Machbarkeetstudien erreecht goufen, kënnen e relativ energiespuerge Konsum iwwer de klenge Volumen behandelt ginn. Mä den Zweck vun der Machbarkeetprüfung ass virun allem fir d'Effekter vum Ultraschall zum Material ze weisen. Wann an der Machbarkeetproblemer positiv Effekter geschitt, musse weider Efforte gemaach ginn fir d'Energie / Volumen-Verhältnis zu optiméieren. Dëst heescht, d'Idealkonfiguratioun vu Ultraschallparameter ze entdecken fir den héchsten Ausbezuelen mat der manner Energie ze erreechen, fir de Prozess ekonomesch am meeschten raisonnabel a effizient ze maachen. Fir déi optimale Parameterenkonfiguratioun ze fannen – déi virgesi Virdeeler mat minimalem Energieinput ze kréien - d'Korrelatioun tëscht de wichtegsten Parameteren Amplitude, Drock, Temperatur an flësseg Zuel muss agefouert ginn. An dësem zweet Stuf gëtt d'Verännerung vun der Batch-Ouschterung un enger kontinuéierter Opléisung mat Stroumzellenreaktor empfohlen, well de wichtege Parameter vum Drock kann net fir d'Batch-Ouschterung beaflosst ginn. Während der Opléisung an enger Stéck gëtt de Drock op den Ambiente reduzéiert. Wann d'Opléisungsprozess eng pressurisabele Stroumzellkamera passéiert, kann de Loft erhéicht (oder reduzéiert) sinn, wat am allgemengen d'Ultraschall huet Kavitation drastesch. Duerch d'Verwielung vun enger Stroumzelle kann d'Korrelatioun tëscht Drock a Prozezeffizienz festgestallt ginn. Ultraschallveraarbechter tëscht 500 Watt an 2000 Watt vun der Muecht sinn am meeschten optimal fir e Prozess ze optimiséieren.

Fully controllable ultrasonic equipment allows for process optimization and completely linear scale-up

Bild 2 - Flow diagram fir d'Optimisatioun vun engem Ultraschallprozess

Skala-Up zu Commercial Production

Wann d'optimal Konfiguratioun fonnt gouf, ass de weider Skala-up einfach wéi d'Ultraschallprozesser voll reproduzbar op enger linearer Skala. Dëst heescht, wann Ultraschall an enger identesch Liquideformuléierung an der identescher Veraarbechtchsparameterconfiguratioun applizéiert gëtt, muss d'selwescht Energie je Volumen fir e identescht Resultat unhand vun der Skala vun der Veraarbechtung ze kréien kréien. (Hielscher 2005). Dat léisst et méiglech d'optimal Parameterkonfiguratioun vum Ultraschall zu der vollstänneger Produktiounsgréisst z'implementéieren. Virun allem de Volume, dat ultraschall veraarbecht ginn ass onlimitéiert. Kommerzielle Ultraschallsystemer mat bis zu 16.000 Watt pro Eenheet sinn elo verfügbar a kënnen an Cluster installéiert ginn. Solche Cluster vun Ultraschallveraarbechter kënnen parallel oder an der Serie installéiert ginn. Duerch d'cluster-weise Installatioun vu héich Ultraschall-Prozessoren, ass d'total Muecht bal sou onbegrenzt datt esou vill Volumenstroum ouni Problem veraarbecht ginn. Och wann eng Adaptioun vum Ultraschallsystem néideg ass, zB fir d'Parameteren op eng modifizéiert Liquidformuléierung z'änneren, kann dat meeschtens duerch Änneren vu Sonotrode, Booster oder Stroumzelle gemaach ginn. D'linear Skalierbarkeet, d'Reproduzierbarkeet an d'Adaptiounsfähegkeet vun Ultraschall maachen dës innovative Technologie effizient a kosteneffizient.

16kW ultrasonic machine for industrial processing of large volume streams, e.g. biodiesel, bioethanol, nano particle processing and manifold other applications.

Bild 3 - Industrielle Ultraschall-Prozessor UIP16000 mat 16.000 Watt Kraaft

Parameteren vun der Ultraschallveraarbechtung

D'Ultraschall Flëssegwierkveraarbechtung ass vun enger Rei vu Parameteren beschriwwe ginn. Wichteg sinn Amplitude, Drock, Temperatur, Viskositéit a Konzentratioun. De Prozess-Resultat, wéi zum Beispill der Partikelgréisst, fir eng gegebene Parameterenkonfiguratioun ass eng Funktioun vun der Energie pro veraarbechte Volumen. D'Funktioun äntweren mat Ännerungen an individuellen Parameteren. Ausserdeem hänkt d'tatsächlech Ausgabele pro Fläche vun der Sonotrode vun enger Ultrasone-Unit vun den Parameteren. D'Energieproduktioun pro Fläsch vun der Sonotrode ass d'Uewerflächenintensitéit (I). D'Uewerflächenintensitéit hänkt vun der Amplitude (A), dem Druck (p), dem Reaktorvolumen (VR), der Temperatur (T), der Viskositéit (η) an anerer.

Déi wichteg Parameter vun der Ultraschallveraarbechtung beinhalt d'Amplitude (A), den Druck (p), den Reaktorvolumen (VR), d'Temperatur (T) an d'Viskositéit (η).

De cavitational Auswierkunge vun der Ultraschallveraarbechtung hänkt vun der Uewerflächentintensitéit, déi duerch Amplitude (A), den Druck (p), den Reaktorvolumen (VR), d'Temperatur (T), d'Viskositéit (η) a soss anerer bezeechent gëtt. Déi Plus- a Minus-Zeechen weisen e positiven oder negativen Afloss vum spezifesche Parameter op der Sonikitéitstäerkt.

Den Impakt vun de generéierte Kavitation hänkt vun der Uewerflächstärke ab. An der selwechter Manéier gëtt de Prozess erreecht. D'total Muechtproduktioun vun enger Ultraschall-Eenheet ass d'Produkt vun der Uewerflächentintensitéit (I) an der Uewerfläch (S):

p [W]] Ech [W / mm²] * S[mm²]

Amplitude

D'Amplitude vun der Oszillatioun beschreift den Wee (z. B. 50 μm), d'Sonotrode-Uewerfläch geet an enger gegebene Zeit (z. B. 1 / 20.000s bei 20 kHz). Wat méi grouss ass d'Amplitude, wat d'Héich ass déi Vitesse, bei der den Drock sënn an an all Stroke eropgeet. Zousätzlech zu deem entsprécht d'Volumenverschëldung vun all Stroke erhéicht sech zu engem méi grouss Kavitationvolumen (Bluttgréisst a / oder Zuel). Wann op d'Dispersiounen applizéiert ginn, méi héijen Amplituden weisen méi héiger Destruktivitéit zu festen Partikelen. Table 1 weist allgemeng Wäerter fir e puer Ultraschallprozess.

The ultrasound amplitude is an important process parameter.

Dësch 2 – Allgemeng Recommandatiounen fir Amplituden

Drock

De Siedepunkt vun enger Flësseg hängt vum Drock. Wat méi héich den Drock ass de méi héije Siedepunkt a Réck. Den erhéngten Drock léisst en Kavitation bei Temperaturen no bei oder iwwer dem Séisspuer bilden. Et erhéicht och d'Intensitéit vun der Implosioun, wat am Zesummenhang mam Differenz tëscht dem statesche Pressure an dem Dampdruck an der Blase steet (vgl. Vercet et al. 1999). Well d'Ultraschallkraaft an d'Intensitéit séier mat Verännerungen am Drock ännert, ass eng Pannendopendpumpe besser. Wann d'Liquidatioun an d'Flosszelle liwwert d'Pomp soll déi spezifesch Flëssegsträifung bei adequat Drängen behandelen. Diaphragm oder Membranpompel; flexibelen Tubel, Schlauch oder Squeeze Pumpen; Peristaltikpumpen; oder Kolben oder Pechpumpe pumuléiere alternéierend Drockschwankungen. Zentrifugalpompel, Zahnpumpen, Spiralpompelen a progressiv Kavismuspompel, déi d'Liquiditéit fir de kontinuéierst stabile Drock leeën, sinn bevorzugt. (Hielscher 2005)

Temperatur

Duerch d'Sonicise vun enger Flësseg gëtt d'Kraaft an d'Mëttel geschéckt. Well d'Ultraschallerregulatioun d'Turbulenzen an d'Reibung verursaacht, d'gebierfteg Liquiditéit - a laut dem Gesetz vun der Thermodynamik – wärmt erop. D'erhéichte Temperaturen vum veraarbechten Mëttel kann destruktiv op dem Material sinn an d'Effizienz vun der Ultraschallkavitation reduzéieren. Innovativ Ultraschallzellen ginn mat enger Ofkierchjacke ausgestatt (kuck Bild). Dofir gëtt d'exakt Kontroll iwwer d'Temperatur während der Ultraschallveraarbechtung gegeben. Fir d'Becherënnerung vu méi kleng Volumen gëtt e Eisbad fir d'Wärmesüdung empfohlen.

Picture 3 – Ultrasonic transducer UIP1000hd (1000 watts) with flow cell equipped with cooling jacket – typical equipment for optimization steps or small scale production

Bild 3 - Ultraschallwandler UIP1000hd (1000 Watt) mat Stroumzelle mat Këppejacket - typesch Ausrüstung fir Optimiséierungsstufen oder kleng Produkter

Viskositéit a Konzentratioun

Ultraschall Fräiraum an ufänken gi fléisseg Prozesser. D'Partikel mussen an enger Opléisung sinn, zB an Waasser, Ueleg, Léisungsmëttel oder Harze. Duerch d'Verwäertung vun Ultraschall-Stroum-Systeme gëtt et méiglech, gutt viskos, pastesch Material ze sonicéieren.
High-power ultrasound-Prozessor kann op zimlech héije Feststoffkonzentratioune lafen. Eng héich Konzentratioun léisst d'Effizienz vun der Ultraschallveraarbechtung ze maachen, sou datt d'Ultraschelen-Fruchtung duerch Interpartikel-Kollisioun verursaacht gëtt. D'Untersuchunge weisen datt d'Breckrate vun der Kriik un onofhängeg vun der festen Konzentratioun bis zu 50% am Gewiicht ass. D'Veraarbechtung vu Master-Batchen mat héich konzentreschem Material ass eng gemeinsam Produktiounsprozedur mat Ultraschall.

Energie an Intensitéit vs. Energie

Surface Intensitéit an d'totaler Muecht hunn nëmmen d'Intensitéit vun der Veraarbechtung beschreift. D'gebiertege Probevolumen an d'Zäit vun der Expositioun vu bestëmmter Intensitéit mussen als Erënnerungsprozess beschriwwe ginn, fir e skalierbar a reproduzierbar ze maachen. Fir eng bestëmmten Parameteren Konfiguratioun de Prozess erreecht, z. B. der Partikelgréisst oder der chemescher Konversioun, hänkt vun der Energie pro Volumen (E / V) of.

Resultat = F (E /V ) Fir

Wou d'Energie (E) d'Produkt vun der Muechtproduktioun (P) ass an d'Zäit vun der Expositioun (t).

E[Ws] = p[W] *t[S]]

Ännerungen an der Parameterenkonfiguratioun ännert d'Resultatfunktioun. Dëst enregistréiert d'Energie vun Äer Energie (E), déi fir e gegebene Musterwäert (V) erfuerderlech ass fir e spezifesche Resultat ze kréien. Aus dësem Grond ass et net genuch, fir eng gewësse Kraaft vum Ultraschall un engem Prozess ze plënneren fir e Resultat ze kréien. Eng méi raffinéiert Approche ass néideg fir d'Muecht ze erfuederen an d'Parameterenkonfiguratioun ze ginn, bei der d'Kraaft an de Prozessmaterial getraff ginn ass. (Hielscher 2005)

Ultraschall Hëllef vu Bioethanol

Et ass schonn datt den Ultraschall d'Bioethanol-Produktioun verbessert. Et ass recommandabel fir d'Liquiditéit mat Biomass zu enger héich viskose Schläim ze verdicken, déi nach ëmmer pumpt gëtt. Ultraschallreaktoren kënnen zimlech héije solide Konzentratioune behandelen, sou datt de Sonikatiounsprozess effektiv leeft. De méi Material gëtt an der Schléchung enthale gelooss, déi manner Trägerflëssegkeet, déi net profitéiere vun der Opléisung, wäert behandelt ginn. Well d'Input vu Energie an d'Flëssegkeetserwärmung d'Liquiditéit vum Gesetz vun der Thermodynamik bewirkt, heescht dat datt d'Ultraschallenergie op de Zilmaterial esou wäit wéi méiglech applizéiert gëtt. Duerch esou e effiziente Prozessdesign ass eng verschwatecht Erhëtzung vun der Liwwerflüssegkeet vermeide ginn.
Ultrasound ass deen Extraktioun vum intrazellulartem Material a mécht et domat zur Verfügung fir d'enzymatesch Fermentatioun. Mild Ultraschallbehandlung kann enzymatesch Aktivitéit verbesseren, awer fir Biomassegraktioun méi intensiv Ultraschall verlaangt. Dofir sollten d'Enzyme nach der Biomasseschléch nach d'Sonikikatioun als intensiver Ultraschall addéiert ginn Enzyme, wat e Wënsch net wirklech Effekt ass.

Aktuell Resultater vun der wëssenschaftlecher Recherche erzielt ginn:

D'Etude vum Yoswathana et al. (2010) wat d'Bioethanolproduktioun vu Reis Strooss huet, huet gezeechent datt d'Kombinatioun vun Säure-Pre-Behandlung a Ultraschall virun enzymateschen Behandlungen zu enger erhéierter Zockerertrag vun bis zu 44% (op Reispaatzbasis) féiert. Dëst weist d'Effektivitéit vun der Kombinatioun vun der physescher a vun der chemescher Pretreatment virun der enzymateschen Hydrolyse vu Lignozellulosen op Zucker.

Diagram 2 illustréiert déi positiv Auswierkunge vun der Ultraschallbestrahlung während der Bioethanoler Produktion vum Reis Strooss graphesch. (Charbalkal gouf benotzt fir d'virgeschriwwe Muster aus Säure / Enzym-Viroen an d'Ultraschall-Präbehandlung z'entdecken.)

D'Ultraschall assistéiert Gurteren ergëtt eng signifikant méi héijer Ethanol Ausgab. D'Bioethanol gouf vu Reis Strooss produzéiert.

Tabelle 2 – D'Ultraschallvergréisserung vun Ethanol Ausgab bei der Fermentatioun (Yoswathana et al 2010)

An enger neierst Studie, ass den Afloss vun der Ultraschall iwwer d'extrazellulär an déi intrazellulär Niveauen vum β-Galactosidase-Enzym gepréift. Sulaiman et al. (2011) kann d'Produktivitéit vun der Bioethanolproduktioun erwiermbelen, andeems en Ultraschall bei enger kontrolléierter Temperatur stimuléiert gëtt, déi den Heefegro vu Kluyveromyces marxianus stimuléiert (ATCC 46537). D'Auteuren vum Pabeier wësse weider datt d'intermittante Opléisung mat Stroum-Ultraschall (20 kHz) bei Zuelungszyklen vun ≤20% stimuléiert Biomasserproduktioun, Laktosekabolismus a Ethanolproduktioun an K. Marxianus bei enger relativ héijer Sonikportstärke vun 11,8Wcm-2. Ënner deenen beschtméigleche Conditioune huet d'Sonikatioun d'endgülteg Konzentratioun vun Ethanol ëm bal 3,5fache relativ zur Bekämpfung verbessert. Dëst entsprécht enger 3,5-fach Vergréisserung an der Ethanolproduktivitéit, awer néideg 952W vun der weider Energieversuergung pro Kubikmeter vu Bouillon duerch Opléisung. Dës zousätzlech Noutwennegkeet fir Energie war sécher an akzeptable Betribernormen fir Bioreaktoren an, fir qualitativ héichwäerteg Produkter kënnen duerch d'erhéicht Produktivitéit liicht kompenséiert ginn.

Fazit: Virdeeler vun der Ultraschallvergëftung

Déi Ultraschallbehandlung gouf als effizient an innovativ Technik ënnersicht fir d'Bioethanol Erhéigung ze verbesseren. Haaptsächlech ass Ultraschall benotzt fir intrazellulär Material aus Biomass extra ze maachen, wéi Mais, Soja, Strooss, Ligno-Cellulosematerial oder Geméis-Offallmaterialien.

  • Erhéijung am Bioethanol Ertrag
  • Disinterération / Zellverstéissung a Verëffentlechung vun intrazellulärem Material
  • Verbesserte anaerobe Zerstéierung
  • D'Aktivatioun vun Enzymen vu mëller sonication
  • Verbesserung vun Effizienz vum Prozess duerch héich Konzentratiounsluten

Déi einfach Prüfung, reproduzierbar Skala-up an einfach Installatioun (och an der scho existéierter Produktiounsstroum) mécht Ultraschall e rentabelste an effizient Technologie. Zuverlässige industrielle Ultraschallveraarbechter fir kommerzielle Veraarbechtung sinn verfügbar a maachen et méiglech virtuell onbegrenzte Flëssvolumen.

UIP1000hd Bench-Top Ultrasonic Homogenizer

Picure 4 - Setup mat 1000W Ultraschall-Prozessor UIP1000hd, Stroumzelle, Tank a Pompel

Kontaktéiert eis / frot bei méi Informatiounen

Diskussioun un eis iwwert Är Veraarbechtung Ufuerderunge. Mir wäerten déi gëeegent charge an Veraarbechtung Parameteren fir Äre Projet recommandéieren.






Literatur / nëmmen

  • Hielscher, T. (2005): Ultraschallproduktioun vun Nano-Gréissten Emulsiounen a Dispersiounen. an: Proceedings vun der europäescher Nanosystems Konferenz ENS’05.
  • Jomdecha, C .; Prateepasen, A. (2006): D'Fuerscher vun der niddereger Ultraschall-Energie beaflosst op Liewensmëttelwuesstem am Fermentatiounsprozess. A: 12th Asia-Pazifik Konferenz iwwer NDT, 5.-10.11.2006, Auckland, Neuseeland.
  • Kuldiloke, J. (2002): Auswierkunge vun Ultraschall, Temperatur- a Pressbehandlungen op Enzymaktivitéit a Qualitéitsindikatoren vu Fruucht a Geméis Juice; Doktertitel Thesis an der Technescher Universitéit. Berlin, 2002.
  • Mokkila, M., Mustranta, A., Buchert, J., Poutanen, K. (2004): D'Kraaft vum Ultraschall mat Enzymen an Berry Juice Veraarbechtung kombinéiert. At: 2. Int. Conf. Biokatalyse vun Iessen an Drénken, 19.-22.9.2004, Stuttgart, Däitschland.
  • Müller, MRA; Ehrmann, MA; Vogel, RF (2000): Multiplexer PCR fir d'Detektioun vu Lactobacillus pontis an Zwee verwandte Spezies an enger Sourdough Fermentatioun. Applizéiert & Ëmweltfrëndlech Mikrobiologie. 66/5 2000. S. 2113-2116.
  • Nikolic, S.; Mojovic, L .; Rakin, M .; Pejin, D .; Pejin, J. (2010): Ultraschall assistéiert Produktioun vu Bioethanol duerch simuléiert Zuckervergëftung a Fermentatioun vu Kielen. An: Food Chemistry 122/2010. pp. 216-222.
  • Sulaiman, AZ; Ajit, A .; Yunus, RM; Cisti, Y. (2011): Ultrasound-assistéierte Fermentatioun vergréissert d'Produktivitéit vu Bioethanol. Biochemesch Engineering Journal 54/2011. S. 141-150.
  • Suslick, KS (1998): Kirk-Othmer Enzyklopedie vun chemescher Technologie. 4th ed. Wiley & Sons: New York, 1998. S. 517-541.
  • Yoswathana, N .; Phuriphipat, P .; Treyawutthiawat, P .; Eshtiaghi, MN (2010): Bioethanoler Produktion vum Rice Straw. An: Energie Research Journal 1/1 2010. S. 26-31.