Ar ultraskaņu veicināta fermentācija bioetanola ražošanai

Ar ultraskaņu veicināta fermentācija var uzlabot bioetanola ražošanu, sekmējot salikto ogļhidrātu sadalīšanos vienkāršākos cukuros, kas raugam ir vieglāk pieejami pārveidošanai etanolā. Vienlaikus apstrāde ar ultraskaņu uzlabo arī rauga šūnu sieniņu caurlaidības efektivitāti, nodrošinot ātrāku etanola izdalīšanos un lielāku kopējo ražošanas apjomu. Tādējādi ar ultraskaņu veicināta bioetanola fermentācija nodrošina augstākas konversijas pakāpes un lielāku iznākumu.

Fermentācija

Fermentācija var būt aerobs (= oksidatīvā fermentācija) vai anaerobs process, ko izmanto biotehnoloģijā organiskā materiāla pārveidošanai ar baktēriju, sēņu vai citu bioloģisko šūnu kultūrām vai enzīmiem. Fermentācijas procesā enerģiju iegūst no organisko savienojumu, piemēram, ogļhidrātu, oksidēšanās.
Cukurs ir visizplatītākais fermentācijas substrāts, un pēc fermentācijas rodas tādi produkti kā pienskābe, laktoze, etanols un ūdeņradis. Alkoholiskajā fermentācijā iegūst etanolu – īpaši izmantošanai par degvielu, bet arī alkoholisko dzērienu ražošanai. Kad noteikti rauga celmi, piemēram, Saccharomyces cerevisiae , metabolizē cukuru, rauga šūnas pārveido izejmateriālu etanolā un oglekļa dioksīdā.

Tālāk sniegtie ķīmiskie vienādojumi apkopo šo pārveidi:

Ja izejmateriāls ir ciete, piemēram, no kukurūzas, vispirms ciete jāpārveido cukurā. Lai iegūtu bioetanolu izmantošanai par degvielu, cietes pārveidošanai ir nepieciešama hidrolīze. Parasti hidrolīzi paātrina ar apstrādi ar skābi vai enzīmiem vai abu šo apstrādes veidu kombināciju. Parasti fermentāciju veic aptuveni 35–40 °C temperatūrā.
Dažādu fermentācijas procesu pārskats:

Pārtika :

• ražošana & konservēšana
• piena produkti (pienskābā fermentācija), piemēram, jogurts, paniņas, kefīrs
• pienskābi fermentēti dārzeņi, piemēram, kimči, miso, natto, cukemono, skābēti kāposti
• aromātvielu veidošanās, piemēram, sojas mērcē
• miecvielu sadalīšanās, piemēram, tējā, kakao, kafijā, tabakā
• alkoholiskie dzērieni, piemēram, alus, vīns, viskijs

Zāles :

• medicīnā izmantojamu savienojumu, piemēram, insulīna, hialuronskābes, ražošana

Biogāze/ etanols :

• biogāzes/ bioetanola ražošanas uzlabošana

Dažādi zinātniskie pētījumi un izmēģinājumi laboratorijas galda iekārtās un pilotmērogā ir parādījuši, ka ultraskaņa uzlabo fermentācijas procesu, padarot vairāk biomasas pieejamu enzimātiskajai fermentācijai. Nākamajā sadaļā sīkāk aplūkota ultraskaņas iedarbība šķidrumā.

Šķidrumu apstrādes ar ultraskaņu ietekme

Ar lielas jaudas/ zemas frekvences ultraskaņu var radīt lielas amplitūdas. Tādējādi lielas jaudas/ zemas frekvences ultraskaņu var izmantot tādiem šķidrumu apstrādes procesiem kā sajaukšana, emulģēšana, disperģēšana un deaglomerācija vai malšana.
Apstrādājot šķidrumus ar augstas intensitātes ultraskaņu, skaņas viļņi, kas izplatās šķidrajā vidē, rada mainīgus augsta spiediena (saspiešanas) un zema spiediena (retinājuma) ciklus, kuru atkārtošanās ātrums ir atkarīgs no frekvences. Zema spiediena cikla laikā augstas intensitātes ultraskaņas viļņi šķidrumā rada mazus vakuuma burbuļus vai dobumus. Kad burbuļi sasniedz tilpumu, pie kura tie vairs nevar absorbēt enerģiju, tie augsta spiediena cikla laikā strauji sabrūk. Šo parādību sauc par kavitāciju. Kavitācija, proti, “burbuļu veidošanās, augšana un implozīva sabrukšana šķidrumā. Kavitācijas burbuļu sabrukšana rada intensīvu lokālu uzkaršanu (~5000 K), augstu spiedienu (~1000 atm) un ārkārtīgi lielu uzkaršanas un atdzišanas ātrumu (>109 K/sec)” un šķidruma strūklas (~400 km/h)”. (Suslick 1998)

Kavitāciju var radīt dažādos veidos, piemēram, ar augstspiediena sprauslām, rotora–statora maisītājiem vai ultraskaņas procesoriem. Visās šajās sistēmās ievadītā enerģija pārvēršas berzē, turbulencē, viļņos un kavitācijā. Ievadītās enerģijas daļa, kas pārvēršas kavitācijā, ir atkarīga no vairākiem faktoriem, kuri raksturo kavitāciju radošās iekārtas kustību šķidrumā. Paātrinājuma intensitāte ir viens no svarīgākajiem faktoriem, kas ietekmē enerģijas efektīvu pārvēršanu kavitācijā. Lielāks paātrinājums rada lielākas spiediena atšķirības. Tas savukārt palielina vakuuma burbuļu veidošanās varbūtību, nevis tādu viļņu rašanās varbūtību, kuri izplatās šķidrumā. Tātad, jo lielāks paātrinājums, jo lielāka enerģijas daļa pārvēršas kavitācijā.
Ultraskaņas pārveidotāja gadījumā svārstību amplitūda raksturo paātrinājuma intensitāti. Lielākas amplitūdas nodrošina efektīvāku kavitācijas veidošanos. Papildus intensitātei jāņem vērā arī tas, ka šķidrums jāpaātrina tā, lai turbulences, berzes un viļņu veidošanās radītie zudumi būtu minimāli. Optimāls risinājums tam ir kustība vienā virzienā. Mainot apstrādes ar ultraskaņu intensitāti un parametrus, ultraskaņas iedarbība var būt ļoti intensīva vai ļoti saudzīga. Tas padara ultraskaņu par ļoti daudzpusīgu rīku dažādiem lietojumiem.

Saudzīgi lietojumi, kuros izmanto maigu apstrādi ar ultraskaņu saudzīgos apstākļos, ietver degazēšanu, emulģēšanu un enzīmu aktivēšanu. Intensīvi lietojumi ar augstas intensitātes/ lielas jaudas ultraskaņu (galvenokārt paaugstinātā spiedienā) ir slapjā malšana, deaglomerācija & daļiņu izmēra samazināšana, kā arī disperģēšana. Daudzos lietojumos, piemēram, tādos kā ekstrakcija, dezintegrācija vai sonoķīmija, nepieciešamā ultraskaņas intensitāte ir atkarīga no konkrētā materiāla, kuru paredzēts apstrādāt ar ultraskaņu. Pateicoties daudzveidīgajiem parametriem, kurus var pielāgot konkrētajam procesam, ultraskaņa ļauj atrast katram atsevišķajam procesam optimālos apstākļus.
Papildus izcilai jaudas pārveidošanai apstrāde ar ultraskaņu sniedz būtisku priekšrocību – pilnīgu kontroli pār svarīgākajiem parametriem: amplitūdu, spiedienu, temperatūru, viskozitāti un koncentrāciju. Tas dod iespēju pielāgot visus šos parametrus, lai atrastu ideālos apstrādes parametrus katram konkrētajam materiālam. Rezultātā tiek nodrošināta augstāka iedarbīguma pakāpe un optimizēta efektivitāte.

Ultraskaņa fermentācijas procesu uzlabošanai, izmantojot bioetanola ražošanu kā piemēru

Bioetanols ir produkts, kas rodas, anaerobām vai aerobām baktērijām sadalot biomasu vai atkritumu bioloģiski noārdāmās vielas. Iegūto etanolu galvenokārt izmanto kā biodegvielu.  Tas padara bioetanolu par atjaunojamu un videi draudzīgu alternatīvu fosilajam kurināmajam, piemēram, dabasgāzei.
Etanola ražošanai no biomasas par izejvielām var izmantot cukuru, cieti un lignocelulozes materiālu. Rūpnieciskā mēroga ražošanā pašlaik dominē cukurs un ciete, jo tie ir ekonomiski izdevīgi.
To, kā ultraskaņa uzlabo konkrētam klientam pielāgotu procesu ar konkrētām izejvielām noteiktos apstākļos, var ļoti vienkārši pārbaudīt priekšizpētes izmēģinājumos. Pirmajā posmā neliela izejmateriāla suspensijas daudzuma apstrāde ar ultraskaņas laboratorijas ierīci parādīs, vai ultraskaņa ietekmē izejvielu.

Priekšizpētes izmēģinājumi

Pirmajā testēšanas posmā ir lietderīgi nelielā šķidruma tilpumā ievadīt salīdzinoši lielu ultraskaņas enerģijas daudzumu, jo tā palielinās iespēja noskaidrot, vai var iegūt kādus rezultātus. Neliels parauga tilpums arī saīsina laboratorijas ierīces izmantošanas laiku un samazina pirmo testu izmaksas.
Ultraskaņas viļņi tiek pārnesti šķidrumā no sonotrodes virsmas. Zem sonotrodes virsmas ultraskaņas intensitāte ir visaugstākā. Tādēļ vēlams, lai attālums starp sonotrodi un ar ultraskaņu apstrādājamo materiālu būtu neliels. Apstrādājot nelielu šķidruma tilpumu, var saglabāt nelielu attālumu no sonotrodes.
Tālāk redzamajā tabulā ir norādītas tipiskās enerģijas un tilpuma attiecības vērtības apstrādei ar ultraskaņu pēc optimizācijas. Tā kā pirmie izmēģinājumi netiks veikti ar optimālu konfigurāciju, apstrādes ar ultraskaņu intensitāte un ilgums, kas 10 līdz 50 reizes pārsniedz tipiskās vērtības, parādīs, vai apstrādājamais materiāls tiek ietekmēts.

Process	Enerģija/ Tilpums	Parauga tilpums	Jauda	Laiks
Vienkāršs	< 100Ws/mL	10mL	50W	< 20 sec
Vidējs	100Ws/mL līdz 500Ws/mL	10mL	50W	20 līdz 100 sec
Intensīvs	> 500Ws/mL	10mL	50W	>100 sec

1. tabula – Tipiskās apstrādes ar ultraskaņu vērtības pēc procesa optimizācijas

Izmēģinājumu laikā faktiski ievadīto jaudu var reģistrēt, izmantojot integrēto datu reģistrēšanas funkciju (UP200Ht un UP200St), datora saskarni vai jaudas mērītāju. Apvienojumā ar reģistrētajiem amplitūdas iestatījuma un temperatūras datiem var izvērtēt katra izmēģinājuma rezultātus un noteikt enerģijas un tilpuma attiecības pamatvērtību.
Ja testu laikā ir izvēlēta optimāla konfigurācija, tās veiktspēju varētu pārbaudīt optimizācijas posmā un galu galā palielināt procesa mērogu līdz komerciālam līmenim. Lai atvieglotu optimizāciju, ir ļoti ieteicams arī pārbaudīt apstrādes ar ultraskaņu robežvērtības, piemēram, temperatūru, amplitūdu vai enerģijas un tilpuma attiecību konkrētiem maisījumu sastāviem. Tā kā ultraskaņa varētu negatīvi ietekmēt šūnas, ķīmiskās vielas vai daļiņas, ir jāizpēta katra parametra kritiskās vērtības, lai turpmāko optimizāciju ierobežotu ar parametru diapazonu, kurā negatīvā ietekme netiek novērota. Priekšizpētei ir ieteicamas nelielas laboratorijas vai galda ierīces, lai šādos izmēģinājumos ierobežotu aprīkojuma un paraugu izmaksas. Parasti ierīces ar jaudu no 100 līdz 1 000 vatiem ļoti labi atbilst priekšizpētes vajadzībām. (sal. Hielscher 2005)

Optimizācija

Priekšizpētē iegūtie rezultāti var liecināt par diezgan lielu enerģijas patēriņu attiecībā pret nelielo apstrādāto tilpumu. Tomēr priekšizpētes testa galvenais mērķis ir parādīt ultraskaņas ietekmi uz materiālu. Ja priekšizpētes testos ir novērota pozitīva ietekme, ir jāveic turpmāks darbs, lai optimizētu enerģijas un tilpuma attiecību. Tas nozīmē izpētīt ideālo ultraskaņas parametru konfigurāciju, lai iegūtu visaugstāko iznākumu ar iespējami mazāku enerģijas patēriņu un tādējādi padarītu procesu ekonomiski vispamatotāko un visefektīvāko. Lai atrastu optimālo parametru konfigurāciju – iegūstot paredzētos ieguvumus ar minimālu ievadītās enerģijas daudzumu –, jāizpēta savstarpējā saistība starp svarīgākajiem parametriem – amplitūdu, spiedienu, temperatūru un šķidruma sastāvu. Šajā otrajā posmā ir ieteicams pāriet no apstrādes ar ultraskaņu partiju režīmā uz nepārtrauktas apstrādes sistēmu ar plūsmas šūnas reaktoru, jo apstrādē ar ultraskaņu partiju režīmā nav iespējams ietekmēt būtisko parametru – spiedienu. Apstrādājot ar ultraskaņu partiju režīmā, spiediens ir ierobežots līdz apkārtējās vides spiedienam. Ja apstrāde ar ultraskaņu notiek plūsmas šūnas kamerā, kurā iespējams regulēt spiedienu, spiedienu var paaugstināt (vai pazemināt), kas kopumā krasi ietekmē ultraskaņas kavitāciju . Izmantojot plūsmas šūnu, var noteikt savstarpējo saistību starp spiedienu un procesa efektivitāti. Procesa optimizācijai vispiemērotākie ir ultraskaņas procesori ar jaudu no 500 vatiem līdz 2000 vatiem .

Mēroga palielināšana līdz komerciālai ražošanai

Ja ir atrasta optimālā konfigurācija, turpmāka mēroga palielināšana ir vienkārša, jo ultraskaņas procesi ir pilnībā reproducējami lineārā mērogā. Tas nozīmē, ka, apstrādājot ar ultraskaņu identiska sastāva šķidrumu ar identisku apstrādes parametru konfigurāciju, identiska rezultāta iegūšanai ir nepieciešams vienāds enerģijas daudzums uz tilpuma vienību neatkarīgi no apstrādes mēroga. (Hielscher 2005). Tas ļauj izmantot optimālo ultraskaņas parametru konfigurāciju pilna mēroga ražošanā. Ar ultraskaņu apstrādājamais tilpums ir praktiski neierobežots. Ir pieejamas komerciālas ultraskaņas sistēmas ar jaudu līdz 16 000 vatu uz vienu ierīci, un tās var uzstādīt grupās. Šādas ultraskaņas procesoru grupas var uzstādīt paralēli vai virknē. Uzstādot lieljaudas ultraskaņas procesorus grupās, kopējā jauda ir gandrīz neierobežota, tādēļ bez grūtībām var apstrādāt liela tilpuma plūsmas. Arī tad, ja nepieciešama ultraskaņas sistēmas pielāgošana, piemēram, lai pielāgotu parametrus mainītam šķidruma sastāvam, to lielākoties var izdarīt, nomainot sonotrodi, amplitūdas pastiprinātāju vai plūsmas šūnu. Ultraskaņas lineārā mērogojamība, reproducējamība un pielāgojamība padara šo inovatīvo tehnoloģiju efektīvu un izmaksu ziņā izdevīgu.

Ultraskaņas apstrādes parametri

Šķidrumu apstrādi ar ultraskaņu raksturo vairāki parametri. Svarīgākie ir amplitūda, spiediens, temperatūra, viskozitāte un koncentrācija. Pie noteiktas parametru konfigurācijas procesa rezultāts, piemēram, daļiņu izmērs, ir funkcija no enerģijas daudzuma uz apstrādātā tilpuma vienību. Šī funkcija mainās, mainoties atsevišķiem parametriem. Turklāt faktiskā ultraskaņas ierīces izejas jauda uz sonotrodes virsmas laukuma vienību ir atkarīga no parametriem. Izejas jauda uz sonotrodes virsmas laukuma vienību ir virsmas intensitāte (I). Virsmas intensitāte ir atkarīga no amplitūdas (A), spiediena (p), reaktora tilpuma (VR), temperatūras (T), viskozitātes (η) un citiem parametriem.

Radītās kavitācijas iedarbība ir atkarīga no virsmas intensitātes. Tāpat ar virsmas intensitāti korelē arī procesa rezultāts. Ultraskaņas ierīces kopējā izejas jauda ir virsmas intensitātes (I) un virsmas laukuma (S) reizinājums:

P [W] I [W / mm²]* S[mm²]

Amplitūda

Svārstību amplitūda raksturo ceļu (piemēram, 50 µm), ko sonotrodes virsma veic noteiktā laikā (piemēram, 1/20 000s pie 20kHz). Jo lielāka amplitūda, jo straujāk spiediens pazeminās un paaugstinās katrā svārstību gājienā. Turklāt katrā gājienā pārvietotais tilpums palielinās, radot lielāku kavitācijas tilpumu (burbuļu izmēru un/vai skaitu). Apstrādājot dispersijas, lielākas amplitūdas izraisa spēcīgāku cieto daļiņu sagraušanu. 1. tabulā ir norādītas vispārīgas vērtības dažiem ultraskaņas procesiem.

Spiediens

Šķidruma viršanas temperatūra ir atkarīga no spiediena. Jo augstāks spiediens, jo augstāka viršanas temperatūra, un otrādi. Paaugstināts spiediens ļauj kavitācijai rasties temperatūrā, kas ir tuva viršanas temperatūrai vai pārsniedz to. Tas arī palielina implozijas intensitāti, kas ir saistīta ar starpību starp statisko spiedienu un tvaika spiedienu burbuļa iekšienē (sal. Vercet et al. 1999). Tā kā ultraskaņas jauda un intensitāte strauji mainās, mainoties spiedienam, ieteicams izmantot sūkni, kas nodrošina nemainīgu spiedienu. Pievadot šķidrumu plūsmas šūnai, sūknim jāspēj nodrošināt konkrētā šķidruma plūsmu pie atbilstoša spiediena. Diafragmas vai membrānas sūkņi; elastīgo cauruļu, šļūteņu vai saspiešanas sūkņi; peristaltiskie sūkņi; vai virzuļu vai plunžeru sūkņi rada periodiskas spiediena svārstības. Priekšroka dodama centrbēdzes sūkņiem, zobratu sūkņiem, spirālsūkņiem un ekscentra skrūvsūkņiem, kas apstrādājamo šķidrumu pievada ar nepārtraukti stabilu spiedienu. (Hielscher 2005)

Temperatūra

Apstrādājot šķidrumu ar ultraskaņu, vidē tiek ievadīta jauda. Tā kā ultraskaņas radītās svārstības izraisa turbulenci un berzi, apstrādājamais šķidrums – saskaņā ar termodinamikas likumu – sakarst. Apstrādājamās vides paaugstināta temperatūra var bojāt materiālu un samazināt ultraskaņas kavitācijas efektivitāti. Inovatīvas ultraskaņas plūsmas šūnas ir aprīkotas ar dzesēšanas apvalku (skatīt attēlu). Tas nodrošina precīzu materiāla temperatūras kontroli apstrādes ar ultraskaņu laikā. Mazāku tilpumu apstrādei ar ultraskaņu vārglāzē siltuma novadīšanai ieteicama ledus vanna.

Viskozitāte un koncentrācija

Ultraskaņas malšana un disperģēšana ir procesi šķidrā vidē. Daļiņām jāatrodas suspensijā, piemēram, ūdenī, eļļā, šķīdinātājos vai sveķos. Izmantojot ultraskaņas caurplūdes sistēmas, ir iespējams ar ultraskaņu apstrādāt ļoti viskozu, pastveida materiālu.
Lieljaudas ultraskaņas procesors var darboties ar diezgan augstu cietvielu koncentrāciju. Augsta koncentrācija nodrošina apstrādes ar ultraskaņu efektivitāti, jo ultraskaņas malšanas efektu izraisa daļiņu savstarpējas sadursmes. Pētījumi ir parādījuši, ka silīcija dioksīda daļiņu sasmalcināšanas ātrums nav atkarīgs no cietvielu koncentrācijas līdz 50% pēc masas. Pamatmaisījumu ar augstu materiāla koncentrāciju apstrāde ir izplatīta ražošanas procedūra, kurā izmanto ultraskaņu.

Jauda un intensitāte salīdzinājumā ar enerģiju

Virsmas intensitāte un kopējā jauda raksturo tikai apstrādes intensitāti. Lai aprakstītu apstrādes ar ultraskaņu procesu tā, ka to varētu mērogot un reproducēt, jāņem vērā ar ultraskaņu apstrādājamā parauga tilpums un iedarbības laiks pie noteiktas intensitātes. Pie dotas parametru konfigurācijas procesa rezultāts, piemēram, daļiņu izmērs vai ķīmiskā pārvērtība, būs atkarīgs no enerģijas uz tilpuma vienību (E/V).

Rezultāts = f (E /V )

Šeit enerģija (E) ir izejas jaudas (P) un iedarbības laika (t) reizinājums.

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

Parametru konfigurācijas izmaiņas mainīs rezultāta funkciju. Tas savukārt mainīs enerģijas daudzumu (E), kas nepieciešams dotajai parauga vērtībai (V), lai iegūtu noteiktu rezultāta vērtību. Šā iemesla dēļ rezultāta iegūšanai nepietiek ar noteiktas ultraskaņas jaudas izmantošanu procesā. Nepieciešama rūpīgāka pieeja, lai noteiktu vajadzīgo jaudu un parametru konfigurāciju, pie kuras šī jauda jāievada apstrādājamajā materiālā. (Hielscher 2005)

Bioetanola ražošana ar ultraskaņas palīdzību

Jau ir zināms, ka ultraskaņa uzlabo bioetanola ražošanu. Ieteicams šķidrumu sabiezināt ar biomasu, iegūstot ļoti viskozu suspensiju, kuru joprojām var sūknēt. Ultraskaņas reaktoros var apstrādāt suspensijas ar samērā augstu cietvielu koncentrāciju, tādējādi nodrošinot visefektīvāko apstrādi ar ultraskaņu. Jo vairāk materiāla ir suspensijā, jo mazāk jāapstrādā nesējšķidruma, kuram apstrāde ar ultraskaņu nedod labumu. Tā kā saskaņā ar termodinamikas likumu enerģijas ievadīšana šķidrumā izraisa tā sasilšanu, tas nozīmē, ka ultraskaņas enerģija pēc iespējas tiek izmantota mērķmateriāla apstrādei. Šāda efektīva procesa organizācija ļauj izvairīties no liekā nesējšķidruma nevajadzīgas sildīšanas.
Ultraskaņa veicina šūnu iekšējā materiāla ekstrakciju un tādējādi padara to pieejamu enzimātiskajai fermentācijai. Saudzīga apstrāde ar ultraskaņu var paaugstināt enzīmu aktivitāti, taču biomasas ekstrakcijai būs nepieciešama intensīvāka ultraskaņa. Tādēļ enzīmi biomasas suspensijai jāpievieno pēc apstrādes ar ultraskaņu, jo intensīva ultraskaņa inaktivē enzīmus, kas ir nevēlama iedarbība.

Pašreizējie zinātniskajos pētījumos sasniegtie rezultāti:

Yoswathana et al. (2010) pētījumi par bioetanola ražošanu no rīsu salmiem ir parādījuši, ka priekšapstrādes ar skābi un ultraskaņu kombinācija pirms enzimātiskās apstrādes palielina cukura iznākumu līdz pat 44% (attiecībā pret rīsu salmu daudzumu). Tas parāda fizikālās un ķīmiskās priekšapstrādes kombinācijas efektivitāti pirms lignocelulozes materiāla enzimātiskās hidrolīzes par cukuru. 

2. diagramma grafiski attēlo ultraskaņas iedarbības pozitīvo ietekmi bioetanola ražošanā no rīsu salmiem. (Kokogle tika izmantota toksisko vielu atdalīšanai no paraugiem, kuriem veikta priekšapstrāde ar skābi/enzīmiem un priekšapstrāde ar ultraskaņu.)

Citā nesenā pētījumā tika pārbaudīta apstrādes ar ultraskaņu ietekme uz enzīma β-galaktozidāzes līmeni ārpus šūnām un šūnu iekšienē. Sulaiman et al. (2011) izdevās būtiski paaugstināt bioetanola ražošanas produktivitāti, izmantojot ultraskaņu kontrolētā temperatūrā, kas stimulēja rauga Kluyveromyces marxianus (ATCC 46537) augšanu. Raksta autori secina, ka periodiska apstrāde ar lieljaudas ultraskaņu (20 kHz) ar darbības cikla īpatsvaru ≤20% stimulēja K. marxianus biomasas veidošanos, laktozes metabolismu un etanola ražošanu pie samērā augstas apstrādes ar ultraskaņu intensitātes – 11,8Wcm². Vislabākajos apstākļos apstrāde ar ultraskaņu palielināja etanola galīgo koncentrāciju gandrīz 3,5 reizes salīdzinājumā ar kontroli. Tas atbilda etanola ražošanas produktivitātes pieaugumam 3,5 reizes, taču apstrādei ar ultraskaņu bija nepieciešama papildu ievadītā jauda 952W uz katru kultivēšanas šķidruma kubikmetru. Šī papildu enerģijas vajadzība noteikti bija bioreaktoriem pieņemamo ekspluatācijas normu robežās, un augstvērtīgu produktu gadījumā to varēja viegli kompensēt ar paaugstināto produktivitāti.

Secinājums: ieguvumi no fermentācijas ar ultraskaņas palīdzību

Ir pierādīts, ka apstrāde ar ultraskaņu ir efektīvs un inovatīvs paņēmiens bioetanola iznākuma palielināšanai. Galvenokārt ultraskaņu izmanto šūnu iekšējā materiāla ekstrakcijai no biomasas, piemēram, kukurūzas, sojas pupām, salmiem, lignocelulozes materiāla vai augu izcelsmes atkritumiem.

• Bioetanola iznākuma palielināšana
• Dezintegrācija/šūnu sagraušana un šūnu iekšējā materiāla atbrīvošana
• Uzlabota anaerobā sadalīšanās
• Enzīmu aktivēšana ar saudzīgu apstrādi ar ultraskaņu
• Procesa efektivitātes uzlabošana, izmantojot augstas koncentrācijas suspensijas

Vienkārša testēšana, reproducējama mērogošana un viegla uzstādīšana (arī jau esošās ražošanas plūsmās) padara ultraskaņu par rentablu un efektīvu tehnoloģiju. Ir pieejami uzticami rūpnieciskie ultraskaņas procesori komerciālai apstrādei, kas ļauj ar ultraskaņu apstrādāt praktiski neierobežotus šķidruma tilpumus.