Ultraschallënnerstëtzt Fermentatioun fir d’Produktioun vu Bioethanol

Eng ultraschallënnerstëtzt Fermentatioun kann d’Produktioun vu Bioethanol verbesseren, andeems si den Ofbau vu komplexe Kuelenhydrater zu méi einfachen Zockere fërdert, déi doduerch méi liicht fir d’Ëmwandlung an Ethanol duerch Hief disponibel sinn. Gläichzäiteg verbessert d’Beschallung och d’Effizienz vun der Permeabilitéit vun den Hiefzellwänn, wat eng méi séier Fräisetzung vun Ethanol an eng méi héich Gesamtproduktioun erméiglecht. Doduerch féiert d’ultraschallënnerstëtzt Bioethanolfermentatioun zu méi héijen Ëmwandlungsraten a bessere Rendementer.

Fermentatioun

D’Fermentatioun kann en aerobe (= oxidativ Fermentatioun) oder anaerobe Prozess sinn, dee fir biotechnologesch Uwendunge benotzt gëtt, fir organescht Material duerch bakteriell Zellkulturen, Pilzzellkulturen oder aner biologesch Zellkulturen oder duerch Enzymer ëmzewandelen. Bei der Fermentatioun gëtt Energie aus der Oxidatioun vun organesche Verbindungen, z. B. Kuelenhydrater, gewonnen.
Zocker ass dat heefegst Substrat vun der Fermentatioun, aus där Produkter wéi Mëllechsaier, Laktos, Ethanol a Waasserstoff ervirginn. Bei der alkoholescher Fermentatioun gëtt Ethanol – besonnesch fir als Brennstoff ze benotzen, awer och fir alkoholescht Gedrénks – duerch Fermentatioun produzéiert. Wa bestëmmten Hiefstämm, wéi Saccharomyces cerevisiae Zocker metaboliséieren, wandelen d’Hiefzellen d’Ausgangsmaterial an Ethanol a Kuelendioxid ëm.

Déi cheemesch Gläichungen hei drënner faassen d’Ëmwandlung zesummen:

Wann d’Ausgangsmaterial Stäerkt ass, z. B. aus Mais, muss d’Stäerkt fir d’éischt an Zocker ëmgewandelt ginn. Fir Bioethanol, deen als Brennstoff benotzt gëtt, ass eng Hydrolys fir d’Stäerktëmwandlung néideg. Typescherweis gëtt d’Hydrolys duerch eng Behandlung mat Saier oder Enzymer oder duerch eng Kombinatioun vun deenen zwou beschleunegt. Normalerweis gëtt d’Fermentatioun bei ongeféier 35–40 °C duerchgefouert.
Iwwerbléck iwwer verschidde Fermentatiounsprozesser:

Liewensmëttel :

• Produktioun & Konservéierung
• Mëllechprodukter (Mëllechsaierfermentatioun), z. B. Jughurt, Bottermëllech, Kefir
• Geméis, dat duerch Mëllechsaierfermentatioun fermentéiert ass, z. B. Kimchi, Miso, Natto, Tsukemono, Sauerkraut
• Bildung vun Aromastoffer, z. B. Sojazooss
• Ofbau vu Gierfstoffer, z. B. Téi, Kakao, Kaffi, Tubak
• alkoholescht Gedrénks, z. B. Béier, Wäin, Whisky

Medikamenter :

• Produktioun vu medezinesche Verbindungen, z. B. Insulin, Hyaluronsaier

Biogas/ Ethanol :

• Verbesserung vun der Produktioun vu Biogas/ Bioethanol

Verschidde Fuerschungsaarbechten an Tester mat Labor-Dëschapparater an am Pilotmoossstaf hu gewisen, datt Ultraschall de Fermentatiounsprozess verbessert, andeems méi Biomass fir d’enzymatesch Fermentatioun disponibel gemaach gëtt. Am folgenden Abschnitt ginn d’Auswierkunge vun Ultraschall an enger Flëssegkeet méi genee erkläert.

Auswierkunge vun der Flëssegkeetsveraarbechtung mat Ultraschall

Mat Ultraschall mat héijer Leeschtung/ niddreger Frequenz kënnen héich Amplitudden erzeugt ginn. Doduerch kann Ultraschall mat héijer Leeschtung/ niddreger Frequenz fir d’Veraarbechtung vu Flëssegkeete benotzt ginn, zum Beispill fir ze mëschen, ze emulgéieren, ze dispergéieren, ze deagglomeréieren oder ze muelen.
Bei der Beschallung vu Flëssegkeete mat héijen Intensitéite féieren d’Schallwellen, déi sech an de flëssege Medien ausbreeden, zu ofwiesselnden Héichdrockzyklen (Kompressioun) an Déifdrockzyklen (Verdënnung), deenen hir Widderhuelungsrate vun der Frequenz ofhänkt. Wärend dem Déifdrockzyklus erzeugen Ultraschallwelle mat héijer Intensitéit kleng Vakuumblosen oder Huelraim an der Flëssegkeet. Wann d’Blosen e Volumen erreechen, bei deem si keng Energie méi ophuele kënnen, brieche si wärend engem Héichdrockzyklus hefteg zesummen. Dëst Phänomen gëtt Kavitatioun genannt. Kavitatioun, dat heescht “d’Bildung, de Wuesstem an den implosiven Zesummebroch vu Blosen an enger Flëssegkeet. De kavitatiounsbedéngten Zesummebroch erzeugt eng intensiv lokal Erhëtzung (~5000 K), héich Drécker (~1000 atm) an enorm Erhëtzungs- an Ofkillraten (>109 K/sec)” a Flëssegkeetsstralen (~400 km/h)”. (Suslick 1998)

Et gi verschidde Méiglechkeeten, fir Kavitatioun ze erzeugen, zum Beispill mat Héichdrockdüsen, Rotor-Stator-Mëscher oder Ultraschallprozessoren. An all dëse Systemer gëtt déi zougeféiert Energie a Reiwung, Turbulenzen, Wellen a Kavitatioun ëmgewandelt. Den Undeel vun der zougeféierter Energie, deen a Kavitatioun ëmgewandelt gëtt, hänkt vu verschiddene Facteuren of, déi d’Beweegung vun der kavitatiounserzeugender Ausrüstung an der Flëssegkeet beschreiwen. D’Intensitéit vun der Beschleunegung ass ee vun de wichtegste Facteuren, déi d’effizient Ëmwandlung vun Energie a Kavitatioun beaflossen. Eng méi héich Beschleunegung erzeugt méi héich Drockënnerscheeder. Dat erhéicht dann d’Warscheinlechkeet, datt Vakuumblosen entstinn, amplaz datt Wellen entstinn, déi sech duerch d’Flëssegkeet ausbreeden. Wat d’Beschleunegung also méi héich ass, wat den Undeel vun der Energie, deen a Kavitatioun ëmgewandelt gëtt, méi héich ass.
Bei engem Ultraschallwandler beschreift d’Schwéngungsamplitud d’Intensitéit vun der Beschleunegung. Méi héich Amplitudë féieren zu enger méi effektiver Erzeugung vu Kavitatioun. Nieft der Intensitéit soll d’Flëssegkeet esou beschleunegt ginn, datt d’Verloschter duerch Turbulenzen, Reiwung a Wellenerzeugung minimal sinn. Dofir ass eng Beweegung an nëmmen eng Richtung optimal. Duerch d’Ännere vun der Intensitéit an de Parametere vum Beschallungsprozess kann Ultraschall ganz haart oder ganz sanft wierken. Dat mécht Ultraschall zu engem ganz villsäitegen Instrument fir verschidden Uwendungen.

Zu de sanften Uwendungen, bei deenen eng mëll Beschallung ënner mëlle Bedéngungen agesat gëtt, gehéieren d’Entgasung, d’Emulgéieren, an d’Aktivéierung vun Enzymen. Haart Uwendunge mat Ultraschall mat héijer Intensitéit/ héijer Leeschtung (meeschtens ënner erhéichtem Drock) sinn d’Naassmuelen, d’Deagglomeratioun & d’Reduktioun vun der Partikelgréisst, an d’Dispergéieren. Fir vill Uwendungen, wéi d’Extraktioun, d’Desintegratioun oder d’Sonochemie, hänkt déi néideg Ultraschallintensitéit vum spezifesche Material of, dat beschallt soll ginn. Duerch d’Villfalt u Parameteren, déi un den eenzele Prozess ugepasst kënne ginn, erméiglecht Ultraschall et, fir all eenzele Prozess den optimale Betribspunkt ze fannen.
Nieft enger aussergewéinlecher Leeschtungsëmwandlung bitt d’Ultraschallbehandlung de grousse Virdeel vun enger kompletter Kontroll iwwer déi wichtegst Parameteren: Amplitud, Drock, Temperatur, Viskositéit a Konzentratioun. Dat bitt d’Méiglechkeet, all dës Parameteren unzepassen, fir déi ideal Veraarbechtungsparametere fir all spezifescht Material ze fannen. Dat féiert zu enger méi héijer Wierksamkeet an zu enger optiméierter Effizienz.

Ultraschall fir d’Verbesserung vu Fermentatiounsprozesser, erkläert um Beispill vun der Bioethanolproduktioun

Bioethanol ass e Produkt vum Ofbau vu Biomass oder biologesch ofbaubarem Material aus Offäll duerch anaerob oder aerob Bakterien. De produzéierten Ethanol gëtt haaptsächlech als Biokraaftstoff benotzt.  Dat mécht Bioethanol zu enger erneierbarer an ëmweltfrëndlecher Alternativ zu fossille Brennstoffer, wéi Äerdgas.
Fir Ethanol aus Biomass ze produzéieren, kënnen Zocker, Stäerkt a lignozellulosehaltegt Material als Ausgangsstoffer benotzt ginn. Fir d’Produktioun am industrielle Moossstaf dominéieren den Ament Zocker a Stäerkt, well se wirtschaftlech gënschteg sinn.
Wéi Ultraschall e kundespezifesche Prozess mat spezifeschen Ausgangsstoffer ënner bestëmmte Bedéngunge verbessert, léisst sech ganz einfach duerch Machbarkeetstester ausprobéieren. An engem éischte Schrëtt wäert d’Beschallung vun enger klenger Quantitéit vun der Réistoffsuspensioun mat engem duerch Ultraschall bedriwwenen Laborapparat weisen, ob Ultraschall en Effekt op den Ausgangsstoff huet.

Machbarkeetstester

An der éischter Testphas ass et ubruecht, eng relativ grouss Quantitéit un Ultraschallenergie an e klengt Flëssegkeetsvolumen anzebréngen, well doduerch d’Chance klëmmt, festzestellen, ob Resultater erreecht kënne ginn. E klengt Proufvolumen verkierzt och d’Asazzäit vun engem Laborapparat a reduzéiert d’Käschte fir déi éischt Tester.
D’Ultraschallwelle gi vun der Uewerfläch vun der Sonotrod an d’Flëssegkeet iwwerdroen. Ënner der Uewerfläch vun der Sonotrod ass d’Ultraschallintensitéit am héchsten. Dofir gi kuerz Distanzen tëscht der Sonotrod an dem beschallte Material bevorzugt. Wann e klengt Flëssegkeetsvolumen beschallt gëtt, kann d’Distanz vun der Sonotrod kuerz gehale ginn.
Déi ënnenstoend Tabell weist typesch Energie/Volumen-Wäerter fir Beschallungsprozesser no der Optimiséierung. Well déi éischt Versich net mat enger optimaler Konfiguratioun duerchgefouert ginn, weisen eng Beschallungsintensitéit an eng Beschallungsdauer vum 10- bis 50-Fache vum typesche Wäert, ob et en Effekt op dat beschallte Material gëtt oder net.

Prozess	Energie/ Volumen	Proufvolumen	Leeschtung	Zäit
Einfach	< 100Ws/mL	10mL	50W	< 20 sec
Mëttel	100Ws/mL bis 500Ws/mL	10mL	50W	20 bis 100 sec
Intensiv	> 500Ws/mL	10mL	50W	>100 sec

Tabell 1 – Typesch Beschallungswäerter no der Prozessoptimiséierung

Déi tatsächlech zougefouert Leeschtung bei den Testleef kann iwwer eng integréiert Donnéeënopzeechnung (UP200Ht an UP200St), eng PC-Schnittstell oder e Leeschtungsmiessapparat opgezeechent ginn. A Kombinatioun mat den opgezeechenten Donnéeën iwwer d’Amplitudenastellung an d’Temperatur kënnen d’Resultater vun all Versuch ausgewäert an e Richtwäert fir d’Energie/Volumen-Verhältnis festgeluecht ginn.
Wann am Laf vun den Tester eng optimal Konfiguratioun gewielt gouf, kéint d’Leeschtungsfäegkeet vun dëser Konfiguratioun an engem Optimiséierungsschrëtt iwwerpréift a schliisslech op kommerzielle Moossstaf vergréissert ginn. Fir d’Optimiséierung ze vereinfachen, gëtt et staark recommandéiert, och d’Grenze vun der Beschallung, z. B. Temperatur, Amplitud oder Energie/Volumen-Verhältnis, fir spezifesch Formuléierungen ze ënnersichen. Well Ultraschall negativ Effekter op Zellen, Chemikalien oder Partikele kéint hunn, mussen déi kritesch Wäerter fir all Parameter ënnersicht ginn, fir déi uschléissend Optimiséierung op dee Parameterberäich ze begrenzen, an deem déi negativ Effekter net observéiert ginn. Fir d’Machbarkeetsstudie gi kleng Labor- oder Dëschapparater recommandéiert, fir d’Ausgabe fir Ausrüstung a Prouwe bei esou Versich ze begrenzen. Am Allgemengen eegne sech Apparater vun 100 bis 1.000 Watt ganz gutt fir d’Ziler vun der Machbarkeetsstudie. (vgl. Hielscher 2005)

Optimiséierung

D’Resultater, déi bei de Machbarkeetsstudien erreecht goufen, kënnen am Verhältnis zum klenge behandelte Volumen en zimlech héijen Energieverbrauch weisen. Den Zweck vum Machbarkeetstest ass awer virun allem, d’Effekter vum Ultraschall op d’Material ze weisen. Wa bei de Machbarkeetstester positiv Effekter opgetruede sinn, musse weider Efforte gemaach ginn, fir d’Energie/Volumen-Verhältnis ze optimiséieren. Dat bedeit, déi ideal Konfiguratioun vun den Ultraschallparameteren ze ermëttelen, fir mat dem geréngstméiglechen Energieverbrauch déi héchst Ausbeut ze erreechen an de Prozess wirtschaftlech esou sënnvoll an effizient wéi méiglech ze maachen. Fir déi optimal Parameterkonfiguratioun ze fannen – fir déi gewënschte Virdeeler mat minimalem Energieasaz ze erreechen – muss den Zesummenhang tëscht de wichtegste Parameteren Amplitud, Drock, Temperatur an der Flëssegkeet hirer Zesummesetzung ënnersicht ginn. An dësem zweete Schrëtt gëtt den Iwwergank vun enger Beschallung a Chargen op eng kontinuéierlech Beschallungsanlag mat engem Duerchflosszellereakter recommandéiert, well de wichtege Parameter Drock bei der Beschallung a Chargen net beaflosst ka ginn. Bei der Beschallung an enger Charge ass den Drock op den Ëmgéigendrock begrenzt. Wann de Beschallungsprozess duerch eng Duerchflosszellekummer leeft, déi ënner Drock gesat ka ginn, kann den Drock erhéicht (oder reduzéiert) ginn, wat déi duerch Ultraschall entstoend Kavitatioun am Allgemengen drastesch beaflosst. Mat enger Duerchflosszell kann den Zesummenhang tëscht Drock a Prozesseffizienz bestëmmt ginn. Ultraschallprozessoren mat enger Leeschtung tëscht 500 Watt an 2000 Watt eegne sech am beschten, fir e Prozess ze optiméieren.

Vergréisserung op kommerziell Produktioun

Wann déi optimal Konfiguratioun fonnt gouf, ass déi weider Skaléierung einfach, well Ultraschallprozesser op enger linearer Skala vollstänneg reproduzéierbar sinn. Dat bedeit, datt, wann Ultraschall op eng identesch Flëssegkeetsformuléierung mat enger identescher Konfiguratioun vun de Veraarbechtungsparameter applizéiert gëtt, déiselwecht Energie pro Volumen néideg ass, fir en identescht Resultat ze kréien, onofhängeg vun der Gréisstenuerdnung vun der Veraarbechtung. (Hielscher 2005). Dat mécht et méiglech, déi optimal Parameterkonfiguratioun vum Ultraschall an der Produktioun a voller Gréisst ëmzesetzen. De Volumen, dee mat Ultraschall verschafft ka ginn, ass praktesch onlimitéiert. Kommerziell Ultraschallsystemer mat bis zu 16.000 Watt pro Eenheet si verfügbar a kënnen a Clusteren installéiert ginn. Esou Clustere vun Ultraschallprozessoren kënne parallel oder a Serie installéiert ginn. Duerch d’Installatioun vun Ultraschallprozessoren mat héijer Leeschtung a Clusteren ass d’Gesamtleeschtung bal onlimitéiert, soudatt grouss Volumestéim ouni Problemer verschafft kënne ginn. Och wann eng Upassung vum Ultraschallsystem néideg ass, z. B. fir d’Parameter un eng geännert Flëssegkeetsformuléierung unzepassen, kann dat meeschtens duerch den Austausch vun der Sonotrod, dem Booster oder der Duerchflosszell gemaach ginn. Déi linear Skaléierbarkeet, d’Reproduzéierbarkeet an d’Upassungsfäegkeet vum Ultraschall maachen dës innovativ Technologie effizient a käschtegënschteg.

Parameter vun der Ultraschallveraarbechtung

D’Veraarbechtung vu Flëssegkeete mat Ultraschall gëtt duerch eng Rei Parameter beschriwwen. Déi wichtegst sinn Amplitüd, Drock, Temperatur, Viskositéit a Konzentratioun. Bei enger bestëmmter Parameterkonfiguratioun ass d’Prozessresultat, wéi zum Beispill d’Partikelgréisst, eng Funktioun vun der Energie pro verschaffte Volumen. D’Funktioun ännert sech, wann eenzel Parameter geännert ginn. Ausserdeem hänkt déi tatsächlech ofgi Leeschtung pro Uewerflächenunitéit vun der Sonotrod vun engem Ultraschallapparat vun de Parameter of. Déi ofgi Leeschtung pro Uewerflächenunitéit vun der Sonotrod ass d’Uewerflächenintensitéit (I). D’Uewerflächenintensitéit hänkt vun der Amplitüd (A), dem Drock (p), dem Reaktervolumen (VR), der Temperatur (T), der Viskositéit (η) an anere Parameter of.

D’Wierkung vun der erzeugter Kavitatioun hänkt vun der Uewerflächenintensitéit of. D’Prozessresultat korreléiert op déiselwecht Manéier domat. Déi insgesamt ofgi Leeschtung vun engem Ultraschallapparat ass d’Produkt vun der Uewerflächenintensitéit (I) an der Uewerfläch (S):

P [W] I [W / mm²]* S[mm²]

Amplitüd

D’Schwéngungsamplitüd beschreift de Wee (z. B. 50 µm), deen d’Uewerfläch vun der Sonotrod an enger bestëmmter Zäit (z. B. 1/20.000s bei 20kHz) zeréckleet. Wat d’Amplitüd méi grouss ass, wat den Drock bei all Hub méi séier fält a klëmmt. Ausserdeem klëmmt d’Volumeverdrängung bei all Hub, wat zu engem méi grousse Kavitatiounsvolumen féiert (Gréisst an/oder Zuel vun de Blosen). Bei der Behandlung vun Dispersiounen hunn héich Amplitüden eng méi staark zerstéierend Wierkung op fest Partikelen. Tabell 1 weist allgemeng Wäerter fir e puer Ultraschallprozesser.

Drock

De Kachpunkt vun enger Flëssegkeet hänkt vum Drock of. Wat den Drock méi héich ass, wat de Kachpunkt méi héich ass, an ëmgekéiert. En erhéichten Drock erméiglecht Kavitatioun bei Temperaturen no beim oder iwwer dem Kachpunkt. En erhéicht och d’Intensitéit vun der Implosioun, déi mam Ënnerscheed tëscht dem stateschen Drock an dem Dampdrock bannent der Blos zesummenhänkt (kuckt Vercet et al. 1999). Well d’Ultraschallleeschtung an d’Intensitéit sech bei Drockännerunge séier änneren, ass eng Pompel mat konstantem Drock virzezéien. Wann eng Duerchflosszell mat Flëssegkeet versuergt gëtt, soll d’Pompel de jeeweilege Flëssegkeetsstroum bei gëeegenten Drécker fërdere kënnen. Diaphragma- oder Membranpompelen; Pompel mat flexiblem Rouer, Schlauch- oder Quetschpompelen; peristaltesch Pompelen; oder Kolben- oder Plungerpompele verursaachen ofwiesselnd Drockschwankungen. Zentrifugalpompelen, Zännradpompelen, Spiralpompelen an Exzenterschneckenpompelen, déi d’Flëssegkeet, déi mat Ultraschall behandelt soll ginn, bei engem kontinuéierlech stabilen Drock zouféieren, gi bevorzugt. (Hielscher 2005)

Temperatur

Bei der Behandlung vun enger Flëssegkeet mat Ultraschall gëtt Leeschtung an de Medium iwwerdroen. Well d’Schwéngungen, déi duerch Ultraschall erzeugt ginn, Turbulenzen a Reiwung verursaachen, erwiermt sech déi mat Ultraschall behandelt Flëssegkeet – am Aklang mam Gesetz vun der Thermodynamik. Erhéicht Temperature vum behandelte Medium kënnen d’Material beschiedegen an d’Wierksamkeet vun der Ultraschallkavitatioun reduzéieren. Innovativ Ultraschallduerchflosszelle si mat engem Killmantel equipéiert (kuckt Bild). Doduerch kann d’Temperatur vum Material wärend der Ultraschallbehandlung genee kontrolléiert ginn. Fir d’Ultraschallbehandlung vu méi klenge Volumenen am Becherglas gëtt en Äisbad fir d’Wäermtofleedung recommandéiert.

Viskositéit a Konzentratioun

Ultraschallgestëtzt Muelen an Dispergéieren si Prozesser a Flëssegkeeten. D’Partikele mussen an enger Suspensioun virleien, z. B. a Waasser, Ueleg, Léisungsmëttelen oder Harzer. Duerch den Asaz vun Ultraschallduerchflosssystemer gëtt et méiglech, ganz viskost, pastefërmegt Material mat Ultraschall ze behandelen.
Héichleeschtungsultraschallprozessoren kënne bei zimlech héije Feststoffkonzentratioune bedriwwe ginn. Eng héich Konzentratioun garantéiert d’Wierksamkeet vun der Ultraschallbehandlung, well de Mueleffekt vum Ultraschall duerch Zesummestéiss tëscht de Partikele verursaacht gëtt. Ënnersichungen hu gewisen, datt d’Brochquot vu Siliziumdioxid bis zu engem Gewiichtsundeel vu 50% onofhängeg vun der Feststoffkonzentratioun ass. D’Veraarbechtung vu Masterbatchen mat engem héich konzentréierte Materialundeel ass e verbreet Produktiounsverfare mat Ultraschall.

Leeschtung an Intensitéit am Verglach mat Energie

D’Uewerflächenintensitéit an d’Gesamtleeschtung beschreiwen nëmmen d’Intensitéit vun der Behandlung. De Prouwevolumen, dee mat Ultraschall behandelt gëtt, an d’Awierkungsdauer bei enger bestëmmter Intensitéit musse berücksichtegt ginn, fir en Ultraschallbehandlungsprozess esou ze beschreiwen, datt e skaléierbar a reproduzéierbar ass. Fir eng bestëmmte Parameterkonfiguratioun hänkt d’Prozessresultat, z. B. d’Partikelgréisst oder d’cheemesch Ëmwandlung, vun der Energie pro Volumen (E/V) of.

Resultat = f (E /V )

Dobäi ass d’Energie (E) d’Produkt aus der ofginner Leeschtung (P) an der Awierkungsdauer (t).

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

Ännerungen an der Parameterkonfiguratioun änneren d’Resultatfunktioun. Doduerch ännert sech d’Energiemeng (E), déi fir e bestëmmte Prouwewäert (V) néideg ass, fir e spezifesche Resultatwäert ze erreechen. Aus dësem Grond geet et net duer, eng bestëmmten Ultraschallleeschtung an engem Prozess anzesetzen, fir e Resultat ze kréien. Eng méi differenzéiert Approche ass néideg, fir déi erfuerderlech Leeschtung an d’Parameterkonfiguratioun ze bestëmmen, bei där dës Leeschtung an d’Prozessmaterial agekoppelt soll ginn. (Hielscher 2005)

Ultraschallgestëtzt Produktioun vu Bioethanol

Et ass scho bekannt, datt Ultraschall d’Produktioun vu Bioethanol verbessert. Et ass ze recommandéieren, d’Flëssegkeet mat Biomass zu enger héichviskoser Suspensioun ze verdécken, déi nach gepompelt ka ginn. Ultraschallreaktere kënne mat zimmlech héije Feststoffkonzentratioune schaffen, sou datt d’Beschallung méiglechst effizient duerchgefouert ka ginn. Wat méi Material an der Suspensioun enthale ass, wat manner Trägerflëssegkeet, déi net vun der Beschallung profitéiert, gëtt behandelt. Well d’Zouféiere vun Energie an eng Flëssegkeet no de Gesetzer vun der Thermodynamik zu hirer Erwiermung féiert, bedeit dat, datt d’Ultraschallenergie sou wäit wéi méiglech op d’Zilmaterial applizéiert gëtt. Duerch esou eng effizient Prozessgestaltung gëtt eng verschwenderesch Erwiermung vun der iwwerschësseger Trägerflëssegkeet verhënnert.
Ultraschall hëlleft bei der Extraktioun vum intrazelluläre Material a mécht et doduerch fir d’enzymatesch Fermentatioun disponibel. Eng mëll Ultraschallbehandlung kann d’enzymatesch Aktivitéit erhéijen, mee fir d’Extraktioun vu Biomass ass méi intensiven Ultraschall néideg. Dofir sollten d’Enzymen der Biomasssuspensioun eréischt no der Beschallung bäigefüügt ginn, well intensiven Ultraschall Enzymen inaktivéiert, wat en onerwënschten Effekt ass.

Aktuell Resultater aus der wëssenschaftlecher Fuerschung:

D’Studie vu Yoswathana et al. (2010) iwwer d’Produktioun vu Bioethanol aus Räisstréi hu gewisen, datt d’Kombinatioun aus enger Virbehandlung mat Saier an Ultraschall virun der enzymatescher Behandlung zu engem erhéichten Zockerertrag vu bis zu 44% (op Basis vum Räisstréi) féiert. Dat weist d’Wierksamkeet vun der Kombinatioun aus physikalescher a cheemescher Virbehandlung virun der enzymatescher Hydrolys vu lignozelluloseschem Material zu Zocker. 

Diagramm 2 stellt déi positiv Auswierkunge vun der Ultraschallbestralung bei der Produktioun vu Bioethanol aus Räisstréi grafesch duer. (Holzkuel gouf benotzt, fir d’Prouwen aus der Virbehandlung mat Saier/Enzymen an der Ultraschallvirbehandlung ze entgëften.)

An enger anerer rezenter Studie gouf den Afloss vun der Ultraschallbehandlung op déi extrazellulär an intrazellulär Konzentratioune vum Enzym β-Galaktosidase ënnersicht. Sulaiman et al. (2011) konnten d’Produktivitéit vun der Bioethanolproduktioun däitlech verbesseren, andeems si Ultraschall bei enger kontrolléierter Temperatur agesat hunn, deen de Wuesstem vun der Hief Kluyveromyces marxianus (ATCC 46537) stimuléiert huet. D’Auteure vun der Publikatioun halen als Fazit fest, datt eng intermittéierend Beschallung mat Leeschtungsultraschall (20 kHz) bei relativen Aschaltdauere vu ≤20% d’Biomassproduktioun, de Laktosmetabolismus an d’Ethanolproduktioun bei K. marxianus bei enger relativ héijer Beschallungsintensitéit vun 11,8Wcm² stimuléiert huet. Ënner de beschte Bedéngungen huet d’Beschallung d’Endkonzentratioun vun Ethanol am Verglach mat der Kontroll op bal dat 3,5-Facht erhéicht. Dat huet enger Erhéijung vun der Ethanolproduktivitéit op dat 3,5-Facht entsprach, huet awer duerch d’Beschallung eng zousätzlech Leeschtungszouféierung vun 952W pro Kubikmeter Kulturflëssegkeet erfuerdert. Dësen zousätzlechen Energiebedarf louch sécher bannent akzeptabele Betribsnorme fir Bioreaktoren a konnt bei héichwäertege Produiten einfach duerch déi erhéicht Produktivitéit ausgeglach ginn.

Fazit: Virdeeler vun der ultraschallënnerstëtzter Fermentatioun

D’Ultraschallbehandlung huet sech als effizient an innovativ Technik erwisen, fir de Bioethanolertrag ze erhéijen. Ultraschall gëtt haaptsächlech benotzt, fir intrazelluläert Material aus Biomass wéi Mais, Sojabounen, Stréi, lignozelluloseschem Material oder planzlechen Offallmaterialien ze extrahéieren.

• Erhéijung vum Bioethanolertrag
• Desintegratioun/ Zerstéierung vun Zellen a Fräisetzung vun intrazellulärem Material
• Verbesserten anaeroben Ofbau
• Aktivéierung vun Enzymen duerch mëll Beschallung
• Verbesserung vun der Prozesseffizienz duerch héichkonzentréiert Suspensiounen

Déi einfach Tester, déi reproduzéierbar Iwwerdroung op e gréissere Moossstaf an déi einfach Installatioun (och a scho bestoende Produktiounsstréim) maachen d’Ultraschalltechnik zu enger rentabeler an effizienter Technologie. Zouverlässeg industriell Ultraschallveraarbechtungsapparater fir déi kommerziell Veraarbechtung si verfügbar a maachen et méiglech, praktesch onlimitéiert Flëssegkeetsvolumen ze beschallen.