Fermentacja wspomagana ultradźwiękami do produkcji bioetanolu

Fermentacja wspomagana ultradźwiękami może zwiększyć produkcję bioetanolu poprzez promowanie rozkładu złożonych węglowodanów na prostsze cukry, dzięki czemu są one łatwiej dostępne dla drożdży do przekształcenia w etanol. Jednocześnie sonikacja poprawia również efektywność przepuszczalności ścian komórkowych drożdży, pozwalając na szybsze uwalnianie etanolu i zwiększenie ogólnej produkcji. W ten sposób fermentacja bioetanolu wspomagana ultradźwiękami skutkuje wyższymi współczynnikami konwersji i zwiększonymi plonami.

fermentacji

Fermentacja może być procesem tlenowym (= fermentacja oksydacyjna) lub beztlenowym, który jest wykorzystywany w zastosowaniach biotechnologicznych do przekształcania materiału organicznego przez kultury bakterii, grzybów lub innych komórek biologicznych lub przez enzymy. W procesie fermentacji energia pozyskiwana jest z utleniania związków organicznych, np. węglowodanów.
Cukier jest najczęstszym substratem fermentacji, w wyniku której powstają takie produkty jak kwas mlekowy, laktoza, etanol i wodór. W przypadku fermentacji alkoholowej, etanol - zwłaszcza do stosowania jako paliwo, ale także do napojów alkoholowych – jest wytwarzany w procesie fermentacji. Kiedy niektóre szczepy drożdży, takie jak saccharomyces cerevisiae metabolizują cukier, komórki drożdży przekształcają materiał wyjściowy w etanol i dwutlenek węgla.

Poniższe równania chemiczne podsumowują konwersję:

Jeśli materiałem wyjściowym jest skrobia, np. z kukurydzy, najpierw skrobia musi zostać przekształcona w cukier. W przypadku bioetanolu stosowanego jako paliwo wymagana jest hydroliza w celu konwersji skrobi. Zazwyczaj hydroliza jest przyspieszana przez obróbkę kwasową lub enzymatyczną lub przez połączenie obu. Zazwyczaj fermentację przeprowadza się w temperaturze około 35-40 °C.
Przegląd różnych procesów fermentacji:

Żywność :

• Produkcja & ochrona
• nabiał (fermentacja mlekowa), np. jogurt, maślanka, kefir
• fermentowane mlekowo warzywa, np. kimchi, miso, natto, tsukemono, kapusta kiszona
• rozwój aromatów, np. sosu sojowego
• rozkład środków garbujących, np. herbaty, kakao, kawy, tytoniu
• napoje alkoholowe, np. piwo, wino, whisky

Narkotyki :

• produkcja związków medycznych, np. insuliny, kwasu hialuronowego

Biogaz/etanol :

• poprawa produkcji biogazu/bioetanolu

Różne prace badawcze i testy w bench-top i wielkości pilotażowej wykazały, że ultradźwięki poprawia proces fermentacji, dzięki czemu więcej biomasy dostępne dla fermentacji enzymatycznej. W następnej sekcji, efekty ultradźwięków w cieczy zostaną opracowane.

Efekty ultradźwiękowego przetwarzania cieczy

Za pomocą ultradźwięków o wysokiej mocy / niskiej częstotliwości można generować wysokie amplitudy. W ten sposób ultradźwięki o dużej mocy / niskiej częstotliwości mogą być wykorzystywane do przetwarzania cieczy, takich jak mieszanie, emulgowanie, dyspergowanie i deaglomeracja lub mielenie.
Podczas sonikowania cieczy z dużą intensywnością, fale dźwiękowe, które rozprzestrzeniają się w ciekłych mediach, powodują naprzemienne cykle wysokiego ciśnienia (kompresja) i niskiego ciśnienia (rozrzedzenie), z szybkością zależną od częstotliwości. Podczas cyklu niskiego ciśnienia fale ultradźwiękowe o wysokiej intensywności tworzą małe pęcherzyki próżniowe lub puste przestrzenie w cieczy. Gdy pęcherzyki osiągną objętość, przy której nie mogą już absorbować energii, zapadają się gwałtownie podczas cyklu wysokiego ciśnienia. Zjawisko to nazywane jest kawitacją. kawitacjaczyli “Tworzenie, wzrost i implozyjne zapadanie się pęcherzyków w cieczy. Zapadanie się kawitacyjne powoduje intensywne lokalne ogrzewanie (~5000 K), wysokie ciśnienie (~1000 atm) oraz ogromne szybkości ogrzewania i chłodzenia (>109 K/s)” i strumienie cieczy (~400 km/h)". (Suslick 1998)

Istnieją różne sposoby tworzenia kawitacji, takie jak dysze wysokociśnieniowe, mieszalniki rotor-stator lub procesory ultradźwiękowe. We wszystkich tych systemach energia wejściowa jest przekształcana w tarcie, turbulencje, fale i kawitację. Część energii wejściowej, która jest przekształcana w kawitację, zależy od kilku czynników opisujących ruch sprzętu generującego kawitację w cieczy. Intensywność przyspieszenia jest jednym z najważniejszych czynników wpływających na efektywną transformację energii w kawitację. Większe przyspieszenie powoduje większe różnice ciśnień. To z kolei zwiększa prawdopodobieństwo tworzenia pęcherzyków próżniowych zamiast tworzenia fal rozchodzących się w cieczy. Zatem im wyższe przyspieszenie, tym większa część energii jest przekształcana w kawitację.
W przypadku przetwornika ultradźwiękowego amplituda oscylacji opisuje intensywność przyspieszenia. Wyższe amplitudy powodują bardziej efektywne tworzenie kawitacji. Oprócz intensywności, ciecz powinna być przyspieszana w taki sposób, aby powodować minimalne straty pod względem turbulencji, tarcia i generowania fal. W tym celu optymalnym sposobem jest jednostronny kierunek ruchu. Zmieniając intensywność i parametry procesu sonikacji, ultradźwięki mogą być bardzo twarde lub bardzo miękkie. To sprawia, że ultradźwięki są bardzo wszechstronnym narzędziem do różnych zastosowań.

Miękkie aplikacje, stosujące łagodną sonikację w łagodnych warunkach, obejmują odgazowanie, emulgacjai aktywacja enzymów. Twarde aplikacje z ultradźwiękami o wysokiej intensywności / dużej mocy (głównie pod podwyższonym ciśnieniem) to mielenie na mokro, deaglomeracja & redukcja wielkości cząstek, oraz Dyspersacja. Dla wielu aplikacji, takich jak ekstracjirozpad lub przyspieszenie reakcji chemycznych (sonochemia).Wymagana intensywność ultradźwięków zależy od konkretnego materiału, który ma być poddany sonikacji. Dzięki różnorodności parametrów, które można dostosować do indywidualnego procesu, ultradźwięki pozwalają znaleźć najlepsze miejsce dla każdego indywidualnego procesu.
Oprócz doskonałej konwersji mocy, ultradźwięki oferują ogromną zaletę pełnej kontroli nad najważniejszymi parametrami: amplitudą, ciśnieniem, temperaturą, lepkością i stężeniem. Daje to możliwość dostosowania wszystkich tych parametrów w celu znalezienia idealnych parametrów przetwarzania dla każdego konkretnego materiału. Skutkuje to wyższą skutecznością, a także zoptymalizowaną wydajnością.

Ultradźwięki w celu poprawy procesów fermentacji, wyjaśnione na przykładzie produkcji bioetanolu

Bioetanol jest produktem rozkładu biomasy lub biodegradowalnych odpadów przez bakterie beztlenowe lub tlenowe. Wytworzony etanol jest wykorzystywany głównie jako biopaliwo. Dzięki temu bioetanol jest odnawialną i przyjazną dla środowiska alternatywą dla paliw kopalnych, takich jak gaz ziemny.
Do produkcji etanolu z biomasy można wykorzystać cukier, skrobię i materiał lignocelulozowy. W przypadku produkcji przemysłowej dominują obecnie cukier i skrobia, ponieważ są one korzystne ekonomicznie.
W jaki sposób ultradźwięki poprawiają indywidualny proces klienta z określonym surowcem w danych warunkach, można wypróbować w bardzo prosty sposób za pomocą testów wykonalności. W pierwszym etapie, sonikacja niewielkiej ilości zawiesiny surowca z ultradźwiękowym urządzenie laboratoryjne pokaże, czy ultradźwięki wpływają na surowiec.

Studium wykonalności

W pierwszej fazie testowania odpowiednie jest wprowadzenie stosunkowo dużej ilości energii ultradźwiękowej do małej objętości cieczy, ponieważ w ten sposób zwiększa się szansa na sprawdzenie, czy można uzyskać jakiekolwiek wyniki. Mała objętość próbki skraca również czas korzystania z urządzenia laboratoryjnego i obniża koszty pierwszych testów.
Fale ultradźwiękowe są przenoszone przez powierzchnię sonotrody do cieczy. Przy powierzchni sonotrody natężenie ultradźwięków jest najbardziej intensywne. W związku z tym preferowane są krótkie odległości między sonotrodą a materiałem sonikowanym. Gdy narażona jest mała objętość cieczy, odległość od sonotrody może być krótka.
Poniższa tabela przedstawia typowe poziomy energii/objętości dla procesów sonikacji po optymalizacji. Ponieważ pierwsze próby nie będą prowadzone w optymalnej konfiguracji, intensywność i czas sonikacji o 10 do 50 razy od typowej wartości pokaże, czy istnieje jakikolwiek wpływ na sonikowany materiał, czy nie.

Proces	Energia/ objętość	Objętość próbki	Moc	Czas
prosty	< 100Ws/mL	10 ml	50W	< 20 sek
Średni	100Ws/mL do 500Ws/mL	10 ml	50W	20 do 100 sekund
Twardy	> 500Ws/mL	10 ml	50W	>100 sek

Tabela 1 – Typowe wartości sonikacji po optymalizacji procesu

Rzeczywista moc pobierana podczas testów może być rejestrowana za pomocą zintegrowanego rejestratora danych (UP200Ht i UP200St), interfejs PC lub miernik mocy. W połączeniu z zarejestrowanymi danymi dotyczącymi ustawienia amplitudy i temperatury, można ocenić wyniki każdej próby i ustalić dolną linię dla energii/objętości.
Jeśli podczas testów wybrano optymalną konfigurację, wydajność tej konfiguracji można zweryfikować na etapie optymalizacji i ostatecznie skalować do poziomu komercyjnego. Aby ułatwić optymalizację, zaleca się zbadanie granic sonikacji, np. temperatury, amplitudy lub energii/objętości dla określonych preparatów. Ponieważ ultradźwięki mogą generować negatywne skutki dla komórek, chemikaliów lub cząstek, należy zbadać poziomy krytyczne dla każdego parametru, aby ograniczyć następującą optymalizację do zakresu parametrów, w którym nie obserwuje się negatywnych skutków. Na potrzeby studium wykonalności zalecane są małe urządzenia laboratoryjne lub stacjonarne, aby ograniczyć wydatki na sprzęt i próbki w takich próbach. Ogólnie rzecz biorąc, urządzenia o mocy od 100 do 1000 W bardzo dobrze służą do celów studium wykonalności. (por. Hielscher 2005)

optymalizacja

Wyniki uzyskane podczas badań wykonalności mogą wskazywać na dość wysokie zużycie energii w odniesieniu do małej objętości poddawanej obróbce. Jednak celem testu wykonalności jest przede wszystkim pokazanie wpływu ultradźwięków na materiał. Jeśli w testach wykonalności wystąpiły pozytywne efekty, należy podjąć dalsze wysiłki w celu optymalizacji stosunku energii do objętości. Oznacza to zbadanie idealnej konfiguracji parametrów ultradźwiękowych w celu osiągnięcia najwyższej wydajności przy użyciu mniejszej ilości energii, aby proces był ekonomicznie najbardziej uzasadniony i wydajny. Aby znaleźć optymalną konfigurację parametrów – uzyskanie zamierzonych korzyści przy minimalnym nakładzie energii - korelacja między najważniejszymi parametrami amplituda, ciśnienie, temperatura i płyn skład muszą być badane. W tym drugim etapie zaleca się zmianę z sonikacji wsadowej na ciągłą sonikację z reaktorem przepływowym, ponieważ na ważny parametr ciśnienia nie można wpływać w przypadku sonikacji wsadowej. Podczas sonikacji w partii, ciśnienie jest ograniczone do ciśnienia otoczenia. Jeśli proces sonikacji przechodzi przez ciśnieniową komorę przepływową, ciśnienie może być podwyższone (lub zmniejszone), co ogólnie wpływa na ultradźwiękowe kawitacja drastycznie. Dzięki zastosowaniu celi przepływowej można określić korelację między ciśnieniem a wydajnością procesu. Procesory ultradźwiękowe pomiędzy 500 W i 2000 W mocy są najbardziej odpowiednie do optymalizacji procesu.

Skalowanie do produkcji komercyjnej

Jeśli znaleziono optymalną konfigurację, dalsze zwiększanie skali jest proste, ponieważ procesy ultradźwiękowe są w pełni powtarzalny w skali liniowej. Oznacza to, że gdy ultradźwięki są stosowane do identycznego ciekłego preparatu przy identycznej konfiguracji parametrów przetwarzania, ta sama energia na objętość jest wymagana do uzyskania identycznego wyniku niezależnie od skali przetwarzania. (Hielscher 2005). Umożliwia to wdrożenie optymalnej konfiguracji parametrów ultradźwięków do pełnej skali produkcji. Praktycznie objętość, która może być przetwarzana ultradźwiękowo, jest nieograniczona. Komercyjne systemy ultradźwiękowe z maksymalnie 16 000 watów na jednostkę i mogą być instalowane w klastrach. Takie klastry procesorów ultradźwiękowych mogą być instalowane równolegle lub szeregowo. Dzięki klastrowej instalacji procesorów ultradźwiękowych o dużej mocy, całkowita moc jest prawie nieograniczona, dzięki czemu strumienie o dużej objętości mogą być przetwarzane bez problemu. Również jeśli wymagana jest adaptacja systemu ultradźwiękowego, np. w celu dostosowania parametrów do zmodyfikowanego składu cieczy, można to zrobić głównie poprzez zmianę sonotrody, wzmacniacza lub komórki przepływowej. Liniowa skalowalność, powtarzalność i zdolność adaptacji ultradźwięków sprawiają, że ta innowacyjna technologia jest wydajna i opłacalna.

Parametry obróbki ultradźwiękowej

Ultradźwiękowe przetwarzanie cieczy jest opisywane przez szereg parametrów. Najważniejsze z nich to amplituda, ciśnienie, temperatura, lepkość i stężenie. Wynik procesu, taki jak wielkość cząstek, dla danej konfiguracji parametrów jest funkcją energii na przetworzoną objętość. Funkcja ta zmienia się wraz ze zmianami poszczególnych parametrów. Ponadto rzeczywista moc wyjściowa na pole powierzchni sonotrody jednostki ultradźwiękowej zależy od parametrów. Moc wyjściowa na powierzchnię sonotrody to natężenie powierzchniowe (I). Intensywność powierzchni zależy od amplitudy (A), ciśnienia (p), objętości reaktora (VR), temperatury (T), lepkości (η) i innych.

Wpływ generowanej kawitacji zależy od intensywności powierzchni. W ten sam sposób koreluje wynik procesu. Całkowita moc wyjściowa jednostki ultradźwiękowej jest iloczynem intensywności powierzchni (I) i pola powierzchni (S):

p [w] i [w / mm²]* s[mm²]

amplituda

Amplituda oscylacji opisuje drogę (np. 50 µm), jaką pokonuje powierzchnia sonotrody w danym czasie (np. 1/20,000s przy 20kHz). Im większa amplituda, tym większa jest szybkość, z jaką ciśnienie obniża się i wzrasta przy każdym skoku. Ponadto zwiększa się przemieszczenie objętościowe każdego skoku, co skutkuje większą objętością kawitacji (rozmiar pęcherzyków i/lub ich liczba). W przypadku zastosowania do dyspersji, wyższe amplitudy wykazują większą destrukcyjność dla cząstek stałych. Tabela 1 przedstawia ogólne wartości dla niektórych procesów ultradźwiękowych.

ciśnienie

Temperatura wrzenia cieczy zależy od ciśnienia. Im wyższe ciśnienie, tym wyższa temperatura wrzenia i odwrotnie. Podwyższone ciśnienie umożliwia kawitację w temperaturach bliskich lub wyższych od temperatury wrzenia. Zwiększa również intensywność implozji, która jest związana z różnicą między ciśnieniem statycznym a ciśnieniem pary wewnątrz pęcherzyka (por. Vercet i in. 1999). Ponieważ moc i intensywność ultradźwięków zmienia się szybko wraz ze zmianami ciśnienia, preferowana jest pompa o stałym ciśnieniu. Podczas dostarczania cieczy do komory przepływowej pompa powinna być zdolna do obsługi określonego przepływu cieczy przy odpowiednich ciśnieniach. Pompy membranowe lub membranowe; pompy z elastyczną rurką, wężem lub ściskaczem; pompy perystaltyczne; lub pompy tłokowe lub nurnikowe będą powodować zmienne wahania ciśnienia. Preferowane są pompy odśrodkowe, pompy zębate, pompy spiralne i progresywne pompy wnękowe, które dostarczają ciecz do sonikacji przy stale stabilnym ciśnieniu. (Hielscher 2005)

temperatura

Poprzez sonikację cieczy, moc jest przekazywana do medium. Ponieważ ultradźwiękowo generowane oscylacje powodują turbulencje i tarcie, sonikowana ciecz - zgodnie z prawem termodynamiki – będzie się nagrzewać. Podwyższona temperatura przetwarzanego medium może być destrukcyjna dla materiału i zmniejszać skuteczność kawitacji ultradźwiękowej. Innowacyjne ultradźwiękowe komórki przepływowe są wyposażone w płaszcz chłodzący (patrz zdjęcie). Dzięki temu uzyskuje się dokładną kontrolę nad temperaturą materiału podczas obróbki ultradźwiękowej. Do sonikacji zlewek o mniejszych objętościach zalecana jest kąpiel lodowa do rozpraszania ciepła.

Lepkość i stężenie

ultradźwiękowy frezowanie i Dyspersacja są procesami ciekłymi. Cząstki muszą znajdować się w zawiesinie, np. w wodzie, oleju, rozpuszczalnikach lub żywicach. Dzięki zastosowaniu ultradźwiękowych systemów przepływowych możliwe staje się sonikowanie bardzo lepkiego, pastowatego materiału.
Procesor ultradźwiękowy o dużej mocy może pracować przy dość wysokich stężeniach ciał stałych. Wysokie stężenie zapewnia skuteczność obróbki ultradźwiękowej, ponieważ efekt mielenia ultradźwiękowego jest spowodowany zderzeniem międzycząsteczkowym. Badania wykazały, że szybkość pękania krzemionki jest niezależna od stężenia substancji stałej do 50% wagowo. Przetwarzanie partii wzorcowych o wysokim stężeniu materiału jest powszechną procedurą produkcyjną wykorzystującą ultradźwięki.

Moc i intensywność a energia

Intensywność powierzchni i całkowita moc opisują jedynie intensywność przetwarzania. Sonikowana objętość próbki i czas ekspozycji przy określonej intensywności muszą być brane pod uwagę w celu opisania procesu sonikacji, aby uczynić go skalowalnym i powtarzalnym. Dla danej konfiguracji parametrów wynik procesu, np. wielkość cząstek lub konwersja chemiczna, będzie zależeć od energii na objętość (E/V).

Wynik = F (E /V )

Gdzie energia (E) jest iloczynem mocy wyjściowej (P) i czasu ekspozycji (t).

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

Zmiany w konfiguracji parametrów spowodują zmianę funkcji wyniku. To z kolei spowoduje zmianę ilości energii (E) wymaganej dla danej wartości próbki (V) w celu uzyskania określonej wartości wyniku. Z tego powodu nie wystarczy zastosować określoną moc ultradźwięków w procesie, aby uzyskać wynik. Wymagane jest bardziej wyrafinowane podejście do identyfikacji wymaganej mocy i konfiguracji parametrów, przy których moc powinna być wprowadzona do materiału procesowego. (Hielscher 2005)

Ultradźwiękowo wspomagana produkcja bioetanolu

Wiadomo już, że ultradźwięki poprawiają produkcję bioetanolu. Zaleca się zagęszczenie cieczy biomasą do bardzo lepkiej zawiesiny, która jest nadal pompowalna. Reaktory ultradźwiękowe mogą obsługiwać dość wysokie stężenia ciał stałych, dzięki czemu proces sonikacji może być prowadzony najbardziej efektywnie. Im więcej materiału znajduje się w zawiesinie, tym mniej cieczy nośnej, która nie skorzysta z procesu sonikacji, zostanie poddana obróbce. Jako wkład energii do cieczy powoduje ogrzewanie cieczy zgodnie z prawem termodynamiki, oznacza to, że energia ultradźwiękowa jest stosowana do materiału docelowego, w miarę możliwości. Dzięki tak wydajnemu projektowi procesu unika się marnotrawnego ogrzewania nadmiaru cieczy nośnej.
Ultradźwięki wspomagają ekstracji materiału wewnątrzkomórkowego i udostępnia go w ten sposób do fermentacji enzymatycznej. Łagodna obróbka ultradźwiękowa może zwiększyć aktywność enzymatyczną, ale do ekstrakcji biomasy wymagane będą bardziej intensywne ultradźwięki. W związku z tym enzymy powinny być dodawane do zawiesiny biomasy po sonikacji, ponieważ intensywne ultradźwięki inaktywują enzymy, co nie jest pożądanym efektem.

Aktualne wyniki badań naukowych:

Badania Yoswathana et al. (2010) dotyczące produkcji bioetanolu ze słomy ryżowej wykazały, że połączenie wstępnej obróbki kwasem i ultradźwiękami przed obróbką enzymatyczną prowadzi do zwiększenia wydajności cukru do 44% (na bazie słomy ryżowej). Pokazuje to skuteczność połączenia fizycznej i chemicznej obróbki wstępnej przed enzymatyczną hydrolizą materiału lignocelulozowego do cukru.

Wykres 2 ilustruje pozytywne efekty napromieniowania ultradźwiękowego podczas produkcji bioetanolu ze słomy ryżowej graficznie. (Węgiel drzewny został użyty do detoksykacji wstępnie obrobionych próbek z obróbki kwasem / enzymem i obróbki ultradźwiękowej).

W innym niedawnym badaniu zbadano wpływ ultradźwięków na zewnątrzkomórkowe i wewnątrzkomórkowe poziomy enzymu β-galaktozydazy. Sulaiman et al. (2011) może znacznie poprawić wydajność produkcji bioetanolu, stosując ultradźwięki w kontrolowanej temperaturze stymulującej wzrost drożdży Kluyveromyces marxianus (ATCC 46537). Autorzy artykułu wznawiają, że przerywana sonikacja ultradźwiękami mocy (20 kHz) przy cyklach pracy ≤20% stymulowała produkcję biomasy, metabolizm laktozy i produkcję etanolu w K. marxianus przy stosunkowo wysokiej intensywności sonikacji 11,8 Wcm^-2. W najlepszych warunkach sonikacja zwiększyła końcowe stężenie etanolu prawie 3,5-krotnie w stosunku do kontroli. Odpowiadało to 3,5-krotnemu zwiększeniu wydajności etanolu, ale wymagało 952 W dodatkowego poboru mocy na metr sześcienny bulionu poprzez sonikację. To dodatkowe zapotrzebowanie na energię z pewnością mieściło się w akceptowalnych normach operacyjnych dla bioreaktorów, a w przypadku produktów o wysokiej wartości można je łatwo zrekompensować zwiększoną produktywnością.

Wnioski: Korzyści z fermentacji wspomaganej ultradźwiękami

Obróbka ultradźwiękowa została uznana za skuteczną i innowacyjną technikę zwiększania wydajności bioetanolu. Przede wszystkim ultradźwięki są wykorzystywane do ekstrakcji materiału wewnątrzkomórkowego z biomasy, takiej jak kukurydza, soja, słoma, materiał lignocelulozowy lub odpady roślinne.

• Wzrost wydajności bioetanolu
• Dezintegracja/ Zniszczenie komórek i uwolnienie materiału wewnątrzkomórkowego
• Ulepszony rozkład beztlenowy
• Aktywacja enzymów przez łagodną sonikację
• Poprawa wydajności procesu dzięki zawiesinom o wysokim stężeniu

Proste testowanie, powtarzalne skalowanie i łatwa instalacja (również w już istniejących strumieniach produkcyjnych) sprawiają, że ultradźwięki są opłacalną i wydajną technologią. Niezawodne przemysłowe procesory ultradźwiękowe do komercyjnego przetwarzania są dostępne i umożliwiają sonikację praktycznie nieograniczonych objętości cieczy.