Ultrasoon ondersteunde fermentatie voor de productie van bio-ethanol

Fermentatie met ultrasone ondersteuning kan de productie van bio-ethanol verbeteren door de afbraak van complexe koolhydraten in eenvoudigere suikers te bevorderen, waardoor ze gemakkelijker beschikbaar zijn voor gist om in ethanol om te zetten. Tegelijkertijd verbetert sonicatie ook de efficiëntie van de permeabiliteit van de gistcelwand, waardoor ethanol sneller vrijkomt en de totale productie toeneemt. Daardoor resulteert fermentatie van bio-ethanol met ultrasone ondersteuning in hogere omzettingssnelheden en een hogere opbrengst.

gisting

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

De chemische vergelijkingen hieronder vatten de conversie samen:

Als het uitgangsmateriaal zetmeel is, bijvoorbeeld van maïs, moet het zetmeel eerst worden omgezet in suiker. Voor bio-ethanol dat als brandstof wordt gebruikt, is hydrolyse nodig om het zetmeel om te zetten. Meestal wordt de hydrolyse versneld door een zure of enzymatische behandeling of een combinatie van beide. Normaal gesproken wordt fermentatie uitgevoerd bij ongeveer 35-40 °C.
Overzicht van verschillende fermentatieprocessen:

Eten :

• productie & behoud
• zuivel (melkzuurfermentatie), bijv. yoghurt, karnemelk, kefir
• melkzuurgefermenteerde groenten, bijv. kimchi, miso, natto, tsukemono, zuurkool
• ontwikkeling van aromaten, bijv. sojasaus
• ontbinding van looistoffen, bijv. thee, cacao, koffie, tabak
• alcoholische dranken, zoals bier, wijn, whisky

Drugs :

• productie van medische stoffen, zoals insuline en hyaluronzuur

Biogas/ Ethanol :

• verbetering van de productie van biogas en bio-ethanol

Verschillende onderzoekspapers en tests in laboratorium- en pilotopstellingen hebben aangetoond dat ultrageluid het fermentatieproces verbetert door meer biomassa beschikbaar te maken voor de enzymatische fermentatie. In de volgende paragraaf worden de effecten van ultrageluid in een vloeistof uitgewerkt.

Effecten van ultrasone vloeistofverwerking

Ultrasoon geluid met hoog vermogen en lage frequentie kan hoge amplitudes genereren. Daardoor kan ultrasoon geluid met hoog vermogen en lage frequentie worden gebruikt voor de verwerking van vloeistoffen zoals mengen, emulgeren, dispergeren en deagglomereren, of malen.
Bij het sonificeren van vloeistoffen met hoge intensiteit resulteren de geluidsgolven die zich voortplanten in het vloeibare medium in afwisselende hogedrukcycli (compressie) en lagedrukcycli (rarefactie), waarbij de snelheid afhangt van de frequentie. Tijdens de lagedrukcyclus creëren ultrasone golven met hoge intensiteit kleine vacuümbellen of holtes in de vloeistof. Wanneer de belletjes een volume bereiken waarbij ze geen energie meer kunnen absorberen, storten ze heftig in elkaar tijdens een hogedrukcyclus. Dit fenomeen wordt cavitatie genoemd. cavitatiedat is “de vorming, groei en implosieve ineenstorting van bellen in een vloeistof. Het instorten van cavitatie veroorzaakt intense plaatselijke verhitting (~5000 K), hoge drukken (~1000 atm) en enorme verhittings- en afkoelsnelheden (>109 K/sec)” en vloeibare straalstromen (~400 km/h)". (Suslick 1998)

Er zijn verschillende manieren om cavitatie te creëren, zoals door hogedrukspuitmonden, rotor-stator mixers of ultrasone processoren. In al deze systemen wordt de toegevoerde energie omgezet in wrijving, turbulentie, golven en cavitatie. De fractie van de toegevoerde energie die wordt omgezet in cavitatie is afhankelijk van verschillende factoren die de beweging van de cavitatie genererende apparatuur in de vloeistof beschrijven. De intensiteit van de versnelling is een van de belangrijkste factoren die de efficiënte omzetting van energie in cavitatie beïnvloedt. Een hogere versnelling creëert grotere drukverschillen. Dit vergroot op zijn beurt de kans op het ontstaan van vacuümbellen in plaats van het ontstaan van golven die zich door de vloeistof voortplanten. Dus, hoe hoger de versnelling, hoe hoger de fractie van de energie die wordt omgezet in cavitatie.
Bij een ultrasone transducer beschrijft de amplitude van de trilling de intensiteit van de versnelling. Hogere amplitudes resulteren in een effectievere cavitatie. Naast de intensiteit moet de vloeistof versneld worden op een manier die minimale verliezen veroorzaakt in termen van turbulentie, wrijving en golfvorming. De optimale manier hiervoor is een eenzijdige bewegingsrichting. Door de intensiteit en de parameters van het sonificatieproces te veranderen, kan ultrageluid zeer hard of zeer zacht zijn. Dit maakt ultrageluid een zeer veelzijdig hulpmiddel voor verschillende toepassingen.

Zachte toepassingen, waarbij milde sonicatie onder milde omstandigheden wordt toegepast, zijn onder andere ontgassing, Emulgerenen enzymactivering. Harde toepassingen met ultrageluid met hoge intensiteit en hoog vermogen (meestal onder verhoogde druk) zijn nat malen, deagglomeratie & verkleining van de deeltjesgrootte en Verspreiden. Voor veel toepassingen zoals Extractiedesintegratie of sonochemieDe vereiste ultrasone intensiteit is afhankelijk van het specifieke materiaal dat moet worden gesoneerd. Door de verscheidenheid aan parameters, die kunnen worden aangepast aan het individuele proces, maakt ultrasoon geluid het mogelijk om de 'sweet spot' te vinden voor elk individueel proces.
Naast een uitstekende vermogensconversie biedt ultrasoonbehandeling 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 te vinden voor elk specifiek materiaal. Dit resulteert in een hogere effectiviteit en een geoptimaliseerde efficiëntie.

Ultrasoon geluid om fermentatieprocessen te verbeteren, bijvoorbeeld voor de productie van bio-ethanol

Bio-ethanol is een product van de afbraak van biomassa of biologisch afbreekbaar afval door anaerobe of aerobe bacteriën. Het geproduceerde ethanol wordt voornamelijk gebruikt als biobrandstof. Dit maakt bio-ethanol een hernieuwbaar en milieuvriendelijk alternatief voor fossiele brandstoffen, zoals aardgas.
Voor de productie van ethanol uit biomassa kunnen suiker, zetmeel en lignocellulose als grondstof worden gebruikt. Voor industriële productie zijn suiker en zetmeel momenteel het meest geschikt, omdat ze economisch gunstig zijn.
Hoe ultrageluid een klant-individueel proces met specifieke grondstoffen onder bepaalde omstandigheden verbetert, kan heel eenvoudig worden uitgeprobeerd met haalbaarheidstests. In de eerste stap wordt een kleine hoeveelheid van de grondstoffenslurry gesoneerd met een ultrasone sensor. laboratoriumapparaat zal aantonen of ultrageluid de grondstof beïnvloedt.

haalbaarheidstest

In de eerste testfase is het geschikt om een relatief grote hoeveelheid ultrasone energie in een klein volume vloeistof te brengen, omdat daardoor de kans toeneemt om te zien of er resultaten kunnen worden verkregen. Een klein monstervolume verkort ook de tijd die nodig is om een laboratoriumapparaat te gebruiken en verlaagt de kosten voor de eerste tests.
De ultrageluidsgolven worden door het oppervlak van de sonotrode in de vloeistof overgedragen. Onder het oppervlak van de sonotrode is de intensiteit van het ultrageluid het hoogst. Daarom wordt de voorkeur gegeven aan korte afstanden tussen de sonotrode en het gesoneerde materiaal. Wanneer een klein vloeistofvolume wordt blootgesteld, kan de afstand tot de sonotrode kort worden gehouden.
De tabel hieronder toont typische energie/volumeniveaus voor sonicatieprocessen na optimalisatie. Aangezien de eerste proeven niet met de optimale configuratie worden uitgevoerd, zal de sonicatie-intensiteit en -tijd met 10 tot 50 keer de typische waarde laten zien of er enig effect is op het gesoneerde materiaal of niet.

Proces	Energie/ volume	Monstervolume	Stroom	Tijd
eenvoudig	< 100W/mL	10 ml	50W	< 20 sec
Medium	100Ws/mL tot 500Ws/mL	10 ml	50W	20 tot 100 sec
Hard	> 500W/mL	10 ml	50W	>100 sec

Tabel 1 – Typische sonicatiewaarden na procesoptimalisatie

Het werkelijke opgenomen vermogen van de testruns kan worden geregistreerd via geïntegreerde gegevensregistratie (UP200Ht en UP200St), PC-interface of met een powermeter. In combinatie met de geregistreerde gegevens over amplitude-instelling en temperatuur kunnen de resultaten van elke proef worden geëvalueerd en kan een eindresultaat voor energie/volume worden vastgesteld.
Als tijdens de tests een optimale configuratie is gekozen, kan deze tijdens een optimalisatiestap worden geverifieerd en uiteindelijk worden opgeschaald naar commercieel niveau. Om de optimalisatie te vergemakkelijken, wordt het sterk aanbevolen om ook de grenzen van sonicatie te onderzoeken, bijv. temperatuur, amplitude of energie/volume voor specifieke formuleringen. Omdat ultrageluid negatieve effecten kan hebben op cellen, chemicaliën of deeltjes, moeten de kritische niveaus voor elke parameter worden onderzocht om de volgende optimalisatie te beperken tot het parameterbereik waar de negatieve effecten niet worden waargenomen. Voor de haalbaarheidsstudie worden kleine laboratorium- of laboratoriumopstellingen aanbevolen om de kosten voor apparatuur en monsters bij dergelijke tests te beperken. Over het algemeen zijn eenheden van 100 tot 1000 watt zeer geschikt voor de haalbaarheidsstudie. (Zie Hielscher 2005)

optimalisatie

De resultaten van de haalbaarheidsstudies kunnen een vrij hoog energieverbruik laten zien met betrekking tot het kleine behandelde volume. Maar het doel van de haalbaarheidstest is in de eerste plaats om de effecten van ultrageluid op het materiaal aan te tonen. Als er tijdens de haalbaarheidstest positieve effecten zijn opgetreden, moeten er verdere inspanningen worden gedaan om de energie/volume-verhouding te optimaliseren. Dit betekent dat de ideale configuratie van ultrageluidparameters moet worden onderzocht om de hoogste opbrengst te bereiken met zo min mogelijk energie, zodat het proces economisch gezien zo redelijk en efficiënt mogelijk is. Om de optimale parameterconfiguratie te vinden – het behalen van de beoogde voordelen met minimale energie-input - de correlatie tussen de belangrijkste parameters amplitude, druk, temperatuur en vloeibaar samenstelling moeten worden onderzocht. In deze tweede stap wordt de overstap van batch sonicatie naar een continue sonicatieopstelling met een flowcelreactor aanbevolen, omdat de belangrijke drukparameter niet beïnvloed kan worden bij batch sonicatie. Tijdens sonificatie in een batch is de druk beperkt tot de omgevingsdruk. Als het sonificatieproces door een drukregelbare flowcelkamer gaat, kan de druk worden verhoogd (of verlaagd) wat in het algemeen de ultrasone druk beïnvloedt. cavitatie drastisch. Met behulp van een flowcel kan de correlatie tussen druk en procesefficiëntie worden bepaald. Ultrasone processors tussen 500 watt en 2000 watt van vermogen het meest geschikt zijn 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 lineaire schaal. Dit betekent dat wanneer ultrageluid wordt toegepast op een identieke vloeibare formulering met een identieke configuratie van de verwerkingsparameters, dezelfde energie per volume nodig is om een identiek resultaat te verkrijgen, onafhankelijk van de verwerkingsschaal. (Hielscher 2005). Dit maakt het mogelijk om de optimale parameterconfiguratie van ultrageluid te implementeren op de volledige productieschaal. Het volume dat ultrasoon kan worden verwerkt, is vrijwel onbeperkt. Commerciële ultrasone systemen met tot 16.000 watt per eenheid zijn beschikbaar en kunnen in clusters worden geïnstalleerd. Dergelijke clusters van ultrasone processoren kunnen parallel of in serie worden geïnstalleerd. Door de installatie van krachtige ultrasone processoren in clusters is het totale vermogen bijna onbeperkt, zodat grote volumestromen zonder problemen kunnen worden verwerkt. Ook als een aanpassing van het ultrasone systeem nodig is, bijvoorbeeld om de parameters aan te passen aan een gewijzigde vloeistofformulering, kan dit meestal worden gedaan door de sonotrode, booster of flowcel te veranderen. De lineaire schaalbaarheid, de reproduceerbaarheid en het aanpassingsvermogen 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, voor een bepaalde parameterconfiguratie is een functie van de energie per verwerkt volume. De functie verandert met veranderingen in individuele parameters. Bovendien is het werkelijke uitgangsvermogen per oppervlak van de sonotrode van een ultrasoon apparaat afhankelijk van de parameters. Het afgegeven vermogen per oppervlak van de sonotrode is de oppervlakte-intensiteit (I). De oppervlakte-intensiteit hangt onder andere af van de amplitude (A), de druk (p), het reactorvolume (VR), de temperatuur (T) en de viscositeit (η).

De impact van de opgewekte cavitatie hangt af van de oppervlakte-intensiteit. Op dezelfde manier is het procesresultaat gecorreleerd. Het totale 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 amplitude van de oscillatie beschrijft de weg (bijv. 50 µm) die het oppervlak van de sonotrode aflegt in een bepaalde tijd (bijv. 1/20.000s bij 20 kHz). 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 (bellengrootte en/of -aantal). Bij toepassing op dispersies hebben hogere amplitudes een hogere destructiviteit voor vaste deeltjes. Tabel 1 toont algemene waarden voor sommige ultrasone processen.

druk

Het kookpunt van een vloeistof hangt af van de druk. Hoe hoger de druk, hoe hoger het kookpunt, en omgekeerd. Een verhoogde druk maakt cavitatie mogelijk bij temperaturen dichtbij of boven het kookpunt. Het verhoogt ook de intensiteit van de implosie, die gerelateerd is aan het verschil tussen de statische druk en de dampdruk binnenin de bel (zie Vercet et al. 1999). Aangezien het ultrasone vermogen en de intensiteit snel veranderen bij drukveranderingen, verdient een pomp met constante druk de voorkeur. Bij het toevoeren van vloeistof naar een flowcel moet de pomp de specifieke vloeistofstroom bij geschikte drukken aankunnen. Membraan- of membraanpompen; pompen met flexibele buizen, slangen of knijpers; slangenpompen; of zuiger- of plunjerpompen zullen wisselende drukschommelingen veroorzaken. Centrifugaalpompen, tandwielpompen, spiraalpompen en progressieve holtepompen die de te sonificeren vloeistof met een continu stabiele druk toevoeren, hebben de voorkeur. (Hielscher 2005)

temperatuur

Door een vloeistof te sonificeren wordt er kracht overgebracht naar het medium. Omdat de ultrasoon gegenereerde oscillatie turbulentie en wrijving veroorzaakt, zal de gesoneerde vloeistof - in overeenstemming met de wet van de thermodynamica – zal opwarmen. Verhoogde temperaturen van het verwerkte medium kunnen destructief zijn voor het materiaal en de effectiviteit van ultrasone cavitatie verminderen. Innovatieve ultrasone flowcellen zijn uitgerust met een koelmantel (zie afbeelding). Hierdoor kan de temperatuur van het materiaal tijdens de ultrasone behandeling nauwkeurig worden geregeld. Voor sonicatie van kleinere volumes in bekers wordt een ijsbad voor warmteafvoer aanbevolen.

Viscositeit en concentratie

ultrasoon frezen en Verspreiden zijn vloeibare processen. De deeltjes moeten in suspensie zijn, bijvoorbeeld in water, olie, oplosmiddelen of harsen. Door het gebruik van ultrasone doorstroomsystemen wordt het mogelijk om zeer viskeus, pasteus materiaal te soniseren.
Een krachtige ultrasone processor kan worden gebruikt bij vrij hoge concentraties vaste deeltjes. Een hoge concentratie zorgt voor de effectiviteit van ultrasone verwerking, omdat het ultrasone maaleffect wordt veroorzaakt door botsingen tussen de deeltjes. Onderzoek heeft aangetoond dat de breeksnelheid van silica onafhankelijk is van de vaste-stofconcentratie tot 50 gewichtsprocent. De verwerking van masterbatches met een hoog geconcentreerde materiaalverhouding is een veelgebruikte productieprocedure waarbij ultrasone trillingen worden gebruikt.

Vermogen en intensiteit vs. energie

De oppervlakte-intensiteit en het totale vermogen beschrijven alleen de intensiteit van het proces. Om een sonicatieproces schaalbaar en reproduceerbaar te maken, moet rekening worden gehouden met het volume van het gesoneerde monster en de tijd van blootstelling bij een bepaalde intensiteit. Voor een bepaalde parameterconfiguratie is het procesresultaat, bijv. de deeltjesgrootte of chemische conversie, afhankelijk van de energie per volume (E/V).

Resultaat = F (E /V )

Waarbij de energie (E) het product is van het afgegeven vermogen (P) en de blootstellingstijd (t).

E[Ws] = p[w]*t[s]

Veranderingen in de parameterconfiguratie zullen de resultaatfunctie veranderen. Dit zal op zijn beurt de hoeveelheid energie (E) variëren die nodig is voor een bepaalde monsterwaarde (V) om een specifieke resultaatwaarde te verkrijgen. Om deze reden is het niet voldoende om een bepaald vermogen aan ultrageluid in een proces in te zetten om een resultaat te verkrijgen. Er is een meer verfijnde aanpak nodig om het vereiste vermogen te bepalen en de parameterconfiguratie waarbij het vermogen in het procesmateriaal moet worden gebracht. (Hielscher 2005)

Ultrasoon ondersteunde productie van bio-ethanol

Het is al bekend dat ultrageluid de productie van bio-ethanol verbetert. Het is aan te raden om de vloeistof met biomassa in te dikken tot een zeer viskeuze slurry die nog wel verpompbaar is. Ultrasone reactoren kunnen vrij hoge concentraties vaste stof aan, zodat het sonificatieproces zo efficiënt mogelijk kan worden uitgevoerd. Hoe meer materiaal er in de slurry zit, hoe minder dragervloeistof, die niet profiteert van het sonicatieproces, zal worden behandeld. Aangezien de inbreng van energie in een vloeistof volgens de wet van de thermodynamica een verwarming van de vloeistof veroorzaakt, betekent dit dat de ultrasone energie zoveel mogelijk wordt toegepast op het doelmateriaal. Door een dergelijk efficiënt procesontwerp wordt een verspillende verwarming van de overtollige transportvloeistof vermeden.
Echografie helpt de Extractie van het intracellulaire materiaal en maakt het daardoor beschikbaar voor enzymatische fermentatie. Milde ultrasone behandeling kan de enzymactiviteit verhogen, maar voor biomassa-extractie is intenser ultrasoon geluid nodig. Daarom moeten de enzymen na de sonicatie aan de biomassaslurry worden toegevoegd, omdat intens ultrageluid enzymen inactiveert, wat niet het gewenste effect is.

Huidige resultaten van wetenschappelijk onderzoek:

Het onderzoek van Yoswathana et al. (2010) naar de productie van bio-ethanol uit rijststro heeft aangetoond dat de combinatie van zure voorbehandeling en ultrasoon vóór de enzymatische behandeling leidt tot een verhoogde suikeropbrengst tot 44% (op basis van rijststro). Dit toont de effectiviteit aan van de combinatie van fysische en chemische voorbehandeling vóór de enzymatische hydrolyse van lignocellulosemateriaal tot suiker.

Grafiek 2 illustreert grafisch de positieve effecten van ultrasone bestraling tijdens de productie van bio-ethanol uit rijststro. (Er is houtskool gebruikt om de voorbehandelde monsters te ontgiften van de zuur/enzym voorbehandeling en de ultrasone voorbehandeling).

In een ander recent onderzoek is de invloed van ultrasone trillingen op de extracellulaire en intracellulaire niveaus van het enzym β-galactosidase onderzocht. Sulaiman et al. (2011) konden de productiviteit van de productie van bio-ethanol aanzienlijk verbeteren door ultrasoon geluid bij een gecontroleerde temperatuur te gebruiken om de gistgroei van Kluyveromyces marxianus (ATCC 46537) te stimuleren. De auteurs van het artikel stellen dat intermitterende sonicatie met ultrageluid (20 kHz) met een duty cycle van ≤20% de biomassaproductie, het lactosemetabolisme en de ethanolproductie in K. marxianus stimuleerde bij een relatief hoge sonicatie-intensiteit van 11,8 Wcm.^-2. Onder de beste omstandigheden verhoogde sonicatie de uiteindelijke ethanolconcentratie met bijna een factor 3,5 ten opzichte van de controle. Dit kwam overeen met een 3,5-voudige verbetering in ethanolproductiviteit, maar vereiste 952 W extra opgenomen vermogen per kubieke meter bouillon door sonicatie. Deze extra energiebehoefte lag zeker binnen acceptabele operationele normen voor bioreactoren en kon, voor producten met een hoge waarde, gemakkelijk worden gecompenseerd door de toegenomen productiviteit.

Conclusie: Voordelen van fermentatie met ultrasone ondersteuning

Ultrasone behandeling is een efficiënte en innovatieve techniek gebleken om de opbrengst van bio-ethanol te verhogen. Ultrasoon geluid wordt voornamelijk gebruikt om intracellulair materiaal te extraheren uit biomassa, zoals maïs, sojabonen, stro, lignocellulosehoudend materiaal of plantaardig afvalmateriaal.

• Toename in bio-ethanol opbrengst
• Desinteren/ Celvernietiging en vrijkomen van intracellulair materiaal
• Verbeterde anaerobe afbraak
• Activering van enzymen door milde sonicatie
• Verbetering van procesefficiëntie door slurries met hoge concentratie

Het eenvoudige testen, de reproduceerbare schaalvergroting en de eenvoudige installatie (ook in reeds bestaande productiestromen) maken ultrasoonbehandeling tot een winstgevende en efficiënte technologie. Er zijn betrouwbare industriële ultrasone processoren voor commerciële verwerking beschikbaar die het mogelijk maken om vrijwel onbeperkte vloeistofvolumes te sonificeren.