Ultrasoon ondersteunde fermentatie voor de productie van bio-ethanol

Ultrasoon ondersteunde fermentatie kan de productie van bio-ethanol verbeteren door de afbraak van complexe koolhydraten tot eenvoudigere suikers te bevorderen, waardoor deze gemakkelijker beschikbaar zijn voor omzetting in ethanol door gist. Tegelijkertijd verbetert sonicatie ook de efficiëntie van de permeabiliteit van de gistcelwand, waardoor ethanol sneller vrijkomt en de totale productie toeneemt. Daardoor leidt ultrasoon ondersteunde bio-ethanolfermentatie tot hogere omzettingspercentages en grotere opbrengsten.

Fermentatie

Fermentatie kan een aeroob (= oxidatieve fermentatie) of anaeroob proces zijn dat voor biotechnologische toepassingen wordt gebruikt om organisch materiaal om te zetten met behulp van bacteriële, schimmel- of andere biologische celculturen of enzymen. Bij fermentatie wordt energie gewonnen uit de oxidatie van organische verbindingen, bijvoorbeeld koolhydraten.
Suiker is het meest voorkomende substraat voor fermentatie, waarbij na fermentatie producten zoals melkzuur, lactose, ethanol en waterstof ontstaan. Bij alcoholische fermentatie wordt ethanol – vooral voor gebruik als brandstof, maar ook voor alcoholische dranken – door fermentatie geproduceerd. Wanneer bepaalde giststammen, zoals Saccharomyces cerevisiae , suiker metaboliseren, zetten de gistcellen het uitgangsmateriaal om in ethanol en koolstofdioxide.

De onderstaande chemische vergelijkingen vatten de omzetting samen:

Als het uitgangsmateriaal zetmeel is, bijvoorbeeld uit maïs, moet het zetmeel eerst worden omgezet in suiker. Voor bio-ethanol die als brandstof wordt gebruikt, is hydrolyse nodig voor de omzetting van zetmeel. Doorgaans wordt de hydrolyse versneld door een behandeling met zuur of enzymen, of door een combinatie van beide. Normaal gesproken vindt fermentatie plaats bij ongeveer 35–40 °C.
Overzicht van verschillende fermentatieprocessen:

Voedingsmiddelen:

• productie & conservering
• zuivel (melkzuurfermentatie), bijvoorbeeld yoghurt, karnemelk, kefir
• melkzuurgefermenteerde groenten, bijvoorbeeld kimchi, miso, natto, tsukemono, zuurkool
• ontwikkeling van aromastoffen, bijvoorbeeld sojasaus
• afbraak van looistoffen, bijvoorbeeld thee, cacao, koffie, tabak
• alcoholische dranken, bijvoorbeeld bier, wijn, whisky

Geneesmiddelen:

• productie van medicinale verbindingen, bijvoorbeeld insuline, hyaluronzuur

Biogas/ethanol:

• verbetering van de productie van biogas/bio-ethanol

Verschillende wetenschappelijke publicaties en tests op laboratorium- en pilotschaal hebben aangetoond dat ultrageluid het fermentatieproces verbetert door meer biomassa beschikbaar te maken voor enzymatische fermentatie. In het volgende gedeelte worden de effecten van ultrageluid in een vloeistof nader toegelicht.

Effecten van ultrasone vloeistofverwerking

Met ultrageluid met een hoog vermogen en een lage frequentie kunnen hoge amplitudes worden opgewekt. Daardoor kan ultrageluid met een hoog vermogen en een lage frequentie worden gebruikt voor de verwerking van vloeistoffen, zoals mengen, emulgeren, dispergeren en deagglomeratie, of malen.
Bij sonicatie van vloeistoffen met hoge intensiteiten veroorzaken de geluidsgolven die zich in de vloeibare media voortplanten afwisselende cycli van hoge druk (compressie) en lage druk (verdunning), waarvan de snelheid afhankelijk is van de frequentie. Tijdens de lagedrukcyclus creëren ultrasone golven met hoge intensiteit kleine vacuümbellen of holten in de vloeistof. Wanneer de bellen een volume bereiken waarbij ze geen energie meer kunnen absorberen, storten ze tijdens een hogedrukcyclus met grote kracht in. Dit verschijnsel wordt cavitatie genoemd. Cavitatie, dat wil zeggen “de vorming, groei en implosieve instorting van bellen in een vloeistof. Cavitatie-instorting veroorzaakt intense lokale verhitting (~5000 K), hoge drukken (~1000 atm) en enorme verwarmings- en afkoelsnelheden (>109 K/sec)” en vloeistofstralen (~400 km/h)”. (Suslick 1998)

Er zijn verschillende manieren om cavitatie op te wekken, bijvoorbeeld met hogedruksproeiers, rotor-statormengers of ultrasone processoren. In al deze systemen wordt de toegevoerde energie omgezet in wrijving, turbulentie, golven en cavitatie. Het aandeel van de toegevoerde energie dat wordt omgezet in cavitatie hangt af van verschillende factoren die de beweging van de cavitatieopwekkende apparatuur in de vloeistof beschrijven. De intensiteit van de versnelling is een van de belangrijkste factoren die de efficiënte omzetting van energie in cavitatie beïnvloeden. Een hogere versnelling veroorzaakt grotere drukverschillen. Dit vergroot op zijn beurt de kans op de vorming van vacuümbellen in plaats van de vorming van golven die zich door de vloeistof voortplanten. Dus hoe hoger de versnelling, hoe groter het aandeel van de energie dat wordt omgezet in cavitatie.
Bij een ultrasone transducer beschrijft de trillingsamplitude de intensiteit van de versnelling. Hogere amplitudes leiden tot een effectievere opwekking van cavitatie. Naast de intensiteit moet de vloeistof zodanig worden versneld dat de verliezen door turbulentie, wrijving en golfvorming minimaal zijn. Hiervoor is beweging in één richting optimaal. Door de intensiteit en de parameters van het sonicatieproces te veranderen, kan ultrageluid zeer krachtig of zeer mild zijn. Dit maakt ultrageluid tot een zeer veelzijdig hulpmiddel voor verschillende toepassingen.

Milde toepassingen, waarbij milde sonicatie onder milde omstandigheden wordt toegepast, omvatten ontgassen, emulgeren en enzymactivering. Krachtige toepassingen met ultrageluid met een hoge intensiteit/hoog vermogen (meestal onder verhoogde druk) zijn natmalen, deagglomeratie en verkleining van de deeltjesgrootte, en dispergeren. Voor veel toepassingen zoals extractie, desintegratie of sonochemie hangt de vereiste ultrasone intensiteit af van het specifieke materiaal dat moet worden gesoniceerd. Dankzij de verscheidenheid aan parameters, die aan het afzonderlijke proces kunnen worden aangepast, kan met ultrageluid het optimale werkpunt voor elk afzonderlijk proces worden gevonden.
Naast een uitstekende vermogensomzetting biedt sonicatie het grote voordeel van volledige controle over de belangrijkste parameters: amplitude, druk, temperatuur, viscositeit en concentratie. Dit biedt de mogelijkheid om al deze parameters aan te passen met als doel de ideale verwerkingsparameters voor elk specifiek materiaal te vinden. Dit resulteert in een hogere effectiviteit en een geoptimaliseerde efficiëntie.

Ultrageluid voor de verbetering van fermentatieprocessen, toegelicht aan de hand van de productie van bio-ethanol

Bio-ethanol is een product van de afbraak van biomassa of biologisch afbreekbaar afvalmateriaal door anaerobe of aerobe bacteriën. De geproduceerde ethanol wordt hoofdzakelijk als biobrandstof gebruikt. Dit maakt bio-ethanol tot een hernieuwbaar en milieuvriendelijk alternatief voor fossiele brandstoffen, zoals aardgas.
Om ethanol uit biomassa te produceren, kunnen suiker, zetmeel en lignocellulosehoudend materiaal als grondstof worden gebruikt. Voor productie op industriële schaal worden momenteel vooral suiker en zetmeel gebruikt, omdat ze economisch gunstig zijn.
Hoe ultrageluid een klantspecifiek proces met een specifieke grondstof onder bepaalde omstandigheden verbetert, kan heel eenvoudig met haalbaarheidstests worden onderzocht. Als eerste stap zal sonicatie van een kleine hoeveelheid van de grondstofslurry met een ultrasoon laboratoriumapparaat laten zien of ultrageluid invloed heeft op de grondstof.

Haalbaarheidstests

In de eerste testfase is het geschikt om een relatief grote hoeveelheid ultrasone energie in een klein vloeistofvolume in te brengen, omdat dit de kans vergroot om te zien of er resultaten kunnen worden behaald. Een klein monstervolume verkort ook de gebruiksduur van een laboratoriumapparaat en verlaagt de kosten van de eerste tests.
De ultrasone golven worden via het oppervlak van de sonotrode aan de vloeistof overgedragen. Onder het sonotrodeoppervlak is de ultrasone intensiteit het hoogst. Daarom wordt de voorkeur gegeven aan korte afstanden tussen de sonotrode en het gesoniceerde materiaal. Wanneer een klein vloeistofvolume wordt blootgesteld, kan de afstand tot de sonotrode kort worden gehouden.
De onderstaande tabel toont typische energie/volume-niveaus voor sonicatieprocessen na optimalisatie. Aangezien de eerste proeven niet met een optimale configuratie worden uitgevoerd, zullen een sonicatie-intensiteit en -duur van 10 tot 50 maal de typische waarde laten zien of er al dan niet een effect op het gesoniceerde materiaal is.

Proces	Energie/ Volume	Monstervolume	Vermogen	Tijd
Eenvoudig	< 100Ws/mL	10mL	50W	< 20 sec
Gemiddeld	100Ws/mL tot 500Ws/mL	10mL	50W	20 tot 100 sec
Intensief	> 500Ws/mL	10mL	50W	>100 sec

Tabel 1 – Typische sonicatiewaarden na procesoptimalisatie

Het daadwerkelijk toegevoerde vermogen tijdens de proefruns kan worden geregistreerd via geïntegreerde gegevensregistratie (UP200Ht en UP200St), een pc-interface of een vermogensmeter. In combinatie met de geregistreerde gegevens over de amplitude-instelling en de temperatuur kunnen de resultaten van elke proef worden geëvalueerd en kan een uitgangswaarde voor de energie/volume-verhouding worden vastgesteld.
Als tijdens de tests een optimale configuratie is gekozen, kunnen de prestaties van deze configuratie tijdens een optimalisatiestap worden geverifieerd en uiteindelijk naar commercieel niveau worden opgeschaald. Om de optimalisatie te vergemakkelijken, wordt sterk aanbevolen ook de grenzen van sonicatie te onderzoeken, bijvoorbeeld de temperatuur, amplitude of energie/volume-verhouding voor specifieke formuleringen. Aangezien ultrageluid negatieve effecten op cellen, chemicaliën of deeltjes zou kunnen veroorzaken, moeten de kritische niveaus voor elke parameter worden onderzocht om de daaropvolgende optimalisatie te beperken tot het parameterbereik waarin de negatieve effecten niet worden waargenomen. Voor de haalbaarheidsstudie worden kleine laboratorium- of tafelapparaten aanbevolen om de kosten voor apparatuur en monsters bij dergelijke proeven te beperken. Over het algemeen zijn apparaten van 100 tot 1.000 watt zeer geschikt voor de doeleinden van de haalbaarheidsstudie. (vgl. Hielscher 2005)

Optimalisatie

De resultaten van de haalbaarheidsstudies kunnen een vrij hoog energieverbruik laten zien in verhouding tot het kleine behandelde volume. Het doel van de haalbaarheidstest is echter in de eerste plaats om de effecten van ultrageluid op het materiaal aan te tonen. Als bij de haalbaarheidstests positieve effecten zijn opgetreden, moeten verdere inspanningen worden geleverd om de energie/volume-verhouding te optimaliseren. Dit betekent dat de ideale configuratie van ultrasone parameters moet worden onderzocht om de hoogste opbrengst met zo weinig mogelijk energie te bereiken en het proces economisch zo gunstig en efficiënt mogelijk te maken. Om de optimale parameterconfiguratie te vinden – waarmee de beoogde voordelen met een minimale energietoevoer worden verkregen – moet de samenhang tussen de belangrijkste parameters amplitude, druk, temperatuur en vloeistofsamenstelling worden onderzocht. In deze tweede stap wordt aanbevolen om van batchsonicatie over te stappen op een opstelling voor continue sonicatie met een doorstroomcelreactor, omdat de belangrijke parameter druk bij batchsonicatie niet kan worden beïnvloed. Tijdens sonicatie in een batch is de druk beperkt tot de omgevingsdruk. Als het sonicatieproces door een onder druk te brengen doorstroomcelkamer loopt, kan de druk worden verhoogd (of verlaagd), wat over het algemeen de ultrasone cavitatie drastisch beïnvloedt. Door een doorstroomcel te gebruiken, kan de samenhang tussen druk en procesefficiëntie worden bepaald. Ultrasone processoren met een vermogen tussen 500 watt en 2000 watt zijn het meest geschikt om een proces te optimaliseren.

Opschaling naar commerciële productie

Als de optimale configuratie is gevonden, is verdere opschaling eenvoudig, omdat ultrasone processen volledig reproduceerbaar op een lineaire schaal zijn. Dit betekent dat, wanneer ultrageluid wordt toegepast op een identieke vloeistofformulering met een identieke configuratie van de verwerkingsparameters, dezelfde energie per volume nodig is om een identiek resultaat te verkrijgen, ongeacht de verwerkingsschaal. (Hielscher 2005). Daardoor kan de optimale configuratie van ultrasone parameters worden toegepast op productie op volledige schaal. Het volume dat ultrasoon kan worden verwerkt, is vrijwel onbeperkt. Commerciële ultrasone systemen met maximaal 16.000 watt per apparaat zijn beschikbaar en kunnen in clusters worden geïnstalleerd. Dergelijke clusters van ultrasone processoren kunnen parallel of in serie worden geïnstalleerd. Door ultrasone processoren met een hoog vermogen in clusters te installeren, is het totale vermogen vrijwel onbeperkt, zodat grote volumestromen probleemloos kunnen worden verwerkt. Ook als een aanpassing van het ultrasone systeem nodig is, bijvoorbeeld om de parameters af te stemmen op een gewijzigde vloeistofformulering, kan dit meestal worden gedaan door de sonotrode, booster of doorstroomcel te vervangen. De lineaire schaalbaarheid, reproduceerbaarheid en aanpasbaarheid van ultrageluid maken deze innovatieve technologie efficiënt en kosteneffectief.

Parameters van ultrasone verwerking

Ultrasone vloeistofverwerking wordt beschreven door een aantal parameters. De belangrijkste zijn amplitude, druk, temperatuur, viscositeit en concentratie. Het procesresultaat, zoals de deeltjesgrootte, is bij een bepaalde parameterconfiguratie een functie van de energie per verwerkt volume. De functie verandert wanneer afzonderlijke parameters worden gewijzigd. Bovendien hangt het daadwerkelijke afgegeven vermogen per oppervlakte-eenheid van de sonotrode van een ultrasoon apparaat af van de parameters. Het afgegeven vermogen per oppervlakte-eenheid van de sonotrode is de oppervlakte-intensiteit (I). De oppervlakte-intensiteit hangt af van de amplitude (A), druk (p), het reactorvolume (VR), de temperatuur (T), viscositeit (η) en andere factoren.

De werking van de opgewekte cavitatie hangt af van de oppervlakte-intensiteit. Het procesresultaat vertoont dezelfde samenhang. Het totale afgegeven vermogen van een ultrasoon apparaat is het product van de oppervlakte-intensiteit (I) en het oppervlak (S):

P [W] I [W / mm²]* S[mm²]

Amplitude

De trillingsamplitude beschrijft de afstand (bijvoorbeeld 50 µm) die het sonotrodeoppervlak in een bepaalde tijd aflegt (bijvoorbeeld 1/20.000s bij 20kHz). Hoe groter de amplitude, hoe hoger de snelheid waarmee de druk bij elke slag daalt en stijgt. Bovendien neemt de volumeverplaatsing van elke slag toe, wat resulteert in een groter cavitatievolume (belgrootte en/of aantal bellen). Bij toepassing op dispersies hebben hogere amplitudes een sterker vernietigend effect op vaste deeltjes. Tabel 1 toont algemene waarden voor enkele ultrasone processen.

Druk

Het kookpunt van een vloeistof hangt af van de druk. Hoe hoger de druk, hoe hoger het kookpunt, en omgekeerd. Verhoogde druk maakt cavitatie mogelijk bij temperaturen dicht bij of boven het kookpunt. Ook neemt de intensiteit van de implosie toe, die samenhangt met het verschil tussen de statische druk en de dampdruk in de bel (vgl. Vercet et al. 1999). Aangezien het ultrasone vermogen en de intensiteit snel veranderen bij drukveranderingen, verdient een pomp met constante druk de voorkeur. Bij de toevoer van vloeistof naar een doorstroomcel moet de pomp de specifieke vloeistofstroom bij geschikte drukken kunnen verwerken. Diafragma- of membraanpompen; pompen met flexibele buizen, slangpompen of knijppompen; peristaltische pompen; of zuiger- of plunjerpompen veroorzaken afwisselende drukschommelingen. De voorkeur gaat uit naar centrifugaalpompen, tandwielpompen, spiraalpompen en excentrische wormpompen die de te soniceren vloeistof bij een continu stabiele druk toevoeren. (Hielscher 2005)

Temperatuur

Door een vloeistof te soniceren, wordt vermogen aan het medium overgedragen. Aangezien ultrasoon opgewekte trillingen turbulentie en wrijving veroorzaken, zal de gesoniceerde vloeistof – overeenkomstig de wet van de thermodynamica – opwarmen. Verhoogde temperaturen van het verwerkte medium kunnen het materiaal beschadigen en de effectiviteit van ultrasone cavitatie verminderen. Innovatieve ultrasone doorstroomcellen zijn uitgerust met een koelmantel (zie afbeelding). Hierdoor kan de temperatuur van het materiaal tijdens ultrasone verwerking nauwkeurig worden geregeld. Voor sonicatie van kleinere volumes in een bekerglas wordt een ijsbad aanbevolen om warmte af te voeren.

Viscositeit en concentratie

Ultrasoon malen en dispergeren zijn processen in vloeistoffen. De deeltjes moeten in een suspensie aanwezig zijn, bijvoorbeeld in water, olie, oplosmiddelen of harsen. Met ultrasone doorstroomsystemen wordt het mogelijk om zeer viskeus, pasta-achtig materiaal te soniceren.
Ultrasone processoren met een hoog vermogen kunnen bij vrij hoge concentraties vaste stoffen worden gebruikt. Een hoge concentratie zorgt voor de effectiviteit van ultrasone verwerking, aangezien het ultrasone maaleffect wordt veroorzaakt door botsingen tussen deeltjes. Onderzoek heeft aangetoond dat de breuksnelheid van silica onafhankelijk is van de concentratie vaste stoffen tot 50% op gewichtsbasis. De verwerking van masterbatches met een sterk geconcentreerd materiaalaandeel is een gangbare productieprocedure waarbij sonicatie wordt gebruikt.

Vermogen en intensiteit versus energie

Oppervlakte-intensiteit en totaal vermogen beschrijven uitsluitend de intensiteit van de verwerking. Het gesoniceerde monstervolume en de blootstellingsduur bij een bepaalde intensiteit moeten worden meegenomen bij het beschrijven van een sonicatieproces om het schaalbaar en reproduceerbaar te maken. Bij een bepaalde parameterconfiguratie hangt het procesresultaat, bijvoorbeeld de deeltjesgrootte of chemische omzetting, af van de energie per volume (E/V).

Resultaat = f (E /V )

Hierbij is de energie (E) het product van het afgegeven vermogen (P) en de blootstellingsduur (t).

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

Veranderingen in de parameterconfiguratie veranderen de resultaatfunctie. Daardoor verandert de hoeveelheid energie (E) die voor een bepaald monstervolume (V) nodig is om een specifieke resultaatwaarde te verkrijgen. Daarom is het niet voldoende om een bepaald ultrasoon vermogen in een proces toe te passen om een resultaat te verkrijgen. Een meer verfijnde aanpak is nodig om het vereiste vermogen en de parameterconfiguratie te bepalen waarbij het vermogen aan het procesmateriaal moet worden toegevoerd. (Hielscher 2005)

Ultrasoon ondersteunde productie van bio-ethanol

Het is al bekend dat ultrageluid de productie van bio-ethanol verbetert. Het wordt aanbevolen de vloeistof met biomassa in te dikken tot een zeer viskeuze slurry die nog verpompbaar is. Ultrasone reactoren kunnen vrij hoge concentraties vaste stoffen verwerken, zodat het sonicatieproces zo efficiënt mogelijk kan worden uitgevoerd. Hoe meer materiaal de slurry bevat, hoe minder dragervloeistof, die geen voordeel heeft van het sonicatieproces, wordt behandeld. Aangezien de toevoer van energie aan een vloeistof volgens de wet van de thermodynamica tot opwarming van de vloeistof leidt, betekent dit dat de ultrasone energie zoveel mogelijk aan het doelmateriaal wordt toegevoerd. Met een dergelijk efficiënt procesontwerp wordt verspilling door het verwarmen van de overtollige dragervloeistof vermeden.
Ultrageluid ondersteunt de extractie van het intracellulaire materiaal en maakt het daardoor beschikbaar voor enzymatische fermentatie. Een milde ultrasone behandeling kan de enzymatische activiteit verhogen, maar voor de extractie van biomassa is intensiever ultrageluid nodig. Daarom moeten de enzymen na de sonicatie aan de biomassaslurry worden toegevoegd, aangezien intensief ultrageluid enzymen inactiveert, wat een ongewenst effect is.

Huidige resultaten van wetenschappelijk onderzoek:

De studies van Yoswathana et al. (2010) over de productie van bio-ethanol uit rijststro hebben aangetoond dat de combinatie van zuurvoorbehandeling en ultrasone behandeling vóór de enzymatische behandeling leidt tot een verhoogde suikeropbrengst van maximaal 44% (op basis van rijststro). Dit toont de effectiviteit aan van de combinatie van fysische en chemische voorbehandeling vóór de enzymatische hydrolyse van lignocellulosehoudend materiaal tot suiker. 

Grafiek 2 geeft de positieve effecten van ultrasone bestraling tijdens de productie van bio-ethanol uit rijststro grafisch weer. (Houtskool is gebruikt om de voorbehandelde monsters van de zuur-/enzymvoorbehandeling en ultrasone voorbehandeling te ontgiften.)

In een andere recente studie is de invloed van sonicatie op de extracellulaire en intracellulaire niveaus van het enzym β-galactosidase onderzocht. Sulaiman et al. (2011) konden de productiviteit van de bio-ethanolproductie aanzienlijk verbeteren door ultrageluid bij een gecontroleerde temperatuur te gebruiken, waardoor de groei van de gist Kluyveromyces marxianus (ATCC 46537) werd gestimuleerd. De auteurs van de publicatie concluderen dat intermitterende sonicatie met vermogensultrageluid (20 kHz) bij inschakelduren van ≤20% de biomassaproductie, het lactosemetabolisme en de ethanolproductie in K. marxianus stimuleerde bij een relatief hoge sonicatie-intensiteit van 11,8Wcm². Onder de beste omstandigheden verhoogde sonicatie de uiteindelijke ethanolconcentratie tot bijna 3,5 maal die van de controle. Dit kwam overeen met een 3,5-voudige verhoging van de ethanolproductiviteit, maar vereiste door sonicatie een extra vermogenstoevoer van 952W per kubieke meter kweekvloeistof. Deze extra energiebehoefte viel zeker binnen aanvaardbare operationele normen voor bioreactoren en kon voor hoogwaardige producten gemakkelijk worden gecompenseerd door de verhoogde productiviteit.

Conclusie: voordelen van ultrasoon ondersteunde fermentatie

Ultrasone behandeling is aangetoond als een efficiënte en innovatieve techniek om de bio-ethanolopbrengst te verhogen. Ultrageluid wordt voornamelijk gebruikt om intracellulair materiaal te extraheren uit biomassa, zoals maïs, sojabonen, stro, lignocellulosehoudend materiaal of plantaardig afvalmateriaal.

• Verhoging van de bio-ethanolopbrengst
• Desintegratie/celvernietiging en vrijmaking van intracellulair materiaal
• Verbeterde anaerobe afbraak
• Activering van enzymen door milde sonicatie
• Verbetering van de procesefficiëntie door sterk geconcentreerde slurry’s

De eenvoudige tests, reproduceerbare opschaling en eenvoudige installatie (ook in bestaande productiestromen) maken ultrageluid tot een winstgevende en efficiënte technologie. Betrouwbare industriële ultrasone processoren voor commerciële verwerking zijn beschikbaar en maken het mogelijk om vrijwel onbeperkte vloeistofvolumes te soniceren.