Ultradźwiękami Assisted fermentacji do produkcji bioetanolu

fermentacji

Fermentacja może być tlenowym (= fermentacja tlenowa) lub sposób anaerobowy, który jest używany w zastosowaniach biotechnologicznych konwersji materiału organicznego przez zakażenie bakteryjne, grzybicze lub innych kulturach komórkowych lub biologicznych enzymów. Na drodze fermentacji, pobór energii z utleniania związków organicznych, np węglowodany.

Cukier jest najczęściej podłoża fermentacji, otrzymany w wyniku fermentacji produktów, takich jak kwas mlekowy, laktoza, etanol i wodoru. Do fermentacji alkoholowej, etanol - szczególnie do stosowania jako paliwo, ale także dla napojów alkoholowych – jest wytwarzany przez fermentację. W przypadku niektórych szczepów drożdży, takich jak Saccharomyces cerevisiae metabolizmu cukru, komórki drożdży konwersję materiału wyjściowego w etanol i dwutlenek węgla.

Poniższe równanie chemiczne Podsumowując konwersję:

Jeśli materiał wyjściowy jest skrobia, np z kukurydzy, skrobię należy najpierw przekształcić w cukier. Dla bioetanolu jako paliwa, jest wymagana hydroliza w celu przekształcenia skrobi. Zazwyczaj hydrolizę przyspieszone przez działanie kwasem lub enzymatyczne lub przez połączenie obydwu. Zazwyczaj, fermentację prowadzi się w temperaturze około 35-40 ° C.
Przegląd różnych procesach fermentacji:

Jedzenie :

• Produkcja & ochrona
• mleczarskiego (fermentacji kwasu mlekowego), np jogurt, maślanka, kefir
• mlekowego fermentacji warzyw, np Kimchi, miso natto, tsukemono, kapusty kwaszonej
• Rozwój aromatyczne, np sos sojowy
• Rozkład garbników, na przykład herbata, kakao, kawa, tytoń
• alkohole, np piwo, wino, whisky

Leki :

• Wytwarzanie związków leczniczych, np insulina, kwas hialuronowy

Biogaz / Etanol:

• poprawa biogazu / produkcja bioetanolu

Różne prace badawcze i testów piece elektryczne i wielkości pilota wykazały, że ultradźwięki usprawnia proces fermentacji co więcej biomasy dostępne dla fermentacji enzymatycznej. W dalszej części, działanie ultradźwiękami w cieczy zostanie opracowany.

Skutki Ultrasonic cieczy technologicznej

Przez wysokiej mocy / niskiej częstotliwości ultradźwięków można generować wysokie amplitudy. Tym samym, wysokiej mocy / ultradźwięki o niskiej częstotliwości mogą być wykorzystywane do obróbki cieczy, takich jak mieszanie, emulgujące, dyspergujące i deaglomeracji, albo mielenie.
Gdy sonikacja cieczy o wysokiej intensywności, fale dźwiękowe, które propagują w ciekłych nośnikach powodować naprzemienne wysokiego ciśnienia (na ściskanie) i niskiego ciśnienia (rozrzedzenie) cykli, z szybkościami w zależności od częstotliwości. Podczas cyklu niskiego ciśnienia i wysokiej intensywności fal ultradźwiękowych za pomocą małych pęcherzyków lub pustych przestrzeni próżni w cieczy. Kiedy pęcherzyki osiągają objętość, w której nie mogą już absorbować energię, zapaść gwałtownie podczas cyklu wysokociśnieniowego. Zjawisko to nazywane kawitacji. kawitacja, to jest “tworzenie, wzrost i implozyjne załamanie pęcherzyków w cieczy. Załamanie kawitacyjny intensywnym ogrzewaniu tworzy lokalną (~ 5000 K), wysokich ciśnień (~ 1000 atm) i ogromny ogrzewania i chłodzenia (>109 K/s)” i ciekłe strumienie odrzutowe (około 400 km / h)”. (Suslick 1998)

Istnieją różne sposoby tworzenia kawitacji, takie jak dysze wysokociśnieniowe, mieszalniki wirnik-stojan lub procesory ultradźwiękowe. We wszystkich tych systemach energia wejściowa jest przekształcana w tarcie, turbulencje, fale i kawitację. Udział energii wejściowej przekształconej w kawitację zależy od kilku czynników opisujących ruch urządzenia wytwarzającego kawitację w cieczy. Intensywność przyspieszenia jest jednym z najważniejszych czynników wpływających na efektywne przekształcanie energii w kawitację. Wyższe przyspieszenie powoduje wyższe różnice ciśnień. To z kolei zwiększa prawdopodobieństwo tworzenia pęcherzyków próżniowych zamiast tworzenia fal propagujących ciecz. Im wyższe przyspieszenie, tym wyższa część energii przekształconej w kawitację.
W przypadku przetwornik ultradźwiękowy, amplituda drgań określa intensywność przyspieszenia. Wyższe amplitudy doprowadzić do bardziej efektywnego tworzenia kawitacji. Oprócz intensywności cieczy powinno być przyspieszane w taki sposób, aby utworzyć minimalne straty względem turbulencje, tarcia i generowania fali. W tym optymalnym sposobem jest jednostronny kierunek ruchu. Zmiana intensywności i parametry procesu sonikacji ultradźwięki może być bardzo trudne i bardzo miękki. To sprawia, USG bardzo wszechstronne narzędzie do różnych zastosowań.

Miękkie aplikacje, stosujące łagodny sonikacji w łagodnych warunkach, w tym odgazowanie, emulgacjaI aktywację enzymu. Twardych zastosowań o wysokiej intensywności ultradźwięków / wysokiej mocy (najczęściej pod zwiększonym ciśnieniem) są Mielenie na mokro, deaglomeracja & zmniejszenie wielkości cząstek i Dyspersacja, Dla wielu zastosowań, takich jak: ekstracji, Rozpad lub przyspieszenie reakcji chemycznych (sonochemia).Ultradźwiękowy o intensywności w zależności od konkretnego materiału działaniu ultradźwięków. Przy różnych parametrów, które mogą być dostosowane do konkretnego procesu ultradźwięków pozwala zlokalizować odsłuchu dla poszczególnych procesów.
Oprócz wybitnego konwersji energii, ultradźwięki oferuje wielką zaletę pełną kontrolę nad najważniejszych parametrów: amplituda, ciśnienie, temperatura, lepkość i koncentracji. Daje to możliwość dostosowania tych wszystkich parametrów z celem, aby znaleźć optymalne parametry obróbki dla każdego konkretnego materiału. Skutkuje to wyższą skutecznością, jak również w zoptymalizowanej wydajności.

USG w celu poprawy procesów fermentacyjnych, wyjaśnił, przykładowo z produkcji bioetanolu

Bioetanolu jest produktem rozkładu biomasy lub kilku biodegradowalnych odpadów przez beztlenowych lub tlenowych bakterii. Wytworzony etanol jest stosowany głównie jako biopaliwo. To sprawia bioetanolu odnawialnego i przyjaznego dla środowiska alternatywę dla paliw kopalnych, takich jak gaz ziemny.
Do wytwarzania etanolu z biomasy, cukru, skrobi oraz materiałów lignocelulozowych można stosować jako substraty. Dla wielkości produkcji przemysłowej, cukru i skrobi są obecnie dominującym, ponieważ są one korzystne ekonomicznie.
Jak ultradźwięki poprawia proces klienta indywidualnie z konkretnym surowcu w danych warunkach można wypróbować bardzo prosty w testach wykonalności. W pierwszym etapie, sonikacja niewielką ilością surowej zawiesiny materiału ultradźwiękowym urządzenie laboratoryjne pokaże, czy USG ma wpływu surowca.

Studium wykonalności

W pierwszej fazie badań, nadaje się do wprowadzenia stosunkowo dużej ilości energii ultradźwięków w małej objętości cieczy, jak przez to zwiększa się szansę, aby sprawdzić, czy jakieś wyniki mogą być uzyskane. Mała objętość próbki skraca również czas za pomocą urządzenia laboratoryjne i zmniejszają koszty pierwszych testach.
Fale ultradźwiękowe są transmitowane przez powierzchni sonotrody do cieczy. Beneth powierzchni sonotrody, natężenie ultradźwięków jest najbardziej intensywne. Tym samym, korzystne są krótkie odległości między sonotrodą i poddaje działaniu ultradźwięków materiału. Gdy niewielka objętość cieczy jest odsłonięty, odległość od sonotrody mogą być krótkie.
Poniższa tabela przedstawia typowe poziomy energii / kubatura dla procesów sonikacji po optymalizacji. Od pierwszych prób nie będzie działać w optymalnej konfiguracji, natężenie ultradźwięków i przez czas od 10 do 50 razy większa od wartości typowe pokaże, czy istnieje jakikolwiek efekt na dźwiękami materiału albo nie.

Proces	Energia/ Tom	próbka Objętość	Moc	czas
Prosty	< 100Ws / ml	10ml	50W	< 20 sek
Średni	100Ws / ml do 500Ws / ml	10ml	50W	20 do 100 sek
Ciężko	> 500Ws / ml	10ml	50W	>100 s

Tabela 1 – Typowe wartości sonikacyjne po optymalizacji procesów

Rzeczywisty pobór mocy przebiegów testowych mogą być zapisywane za pomocą zintegrowanego zapisu danych (UP200Ht i UP200St), PC-interface lub PowerMeter. W połączeniu z zarejestrowanych danych ustawienia amplitudy i temperatury, wyniki każdego badania mogą być ocenione i dolna linia na energię / objętość może być ustalona.
Jeśli podczas testów wybrano optymalną konfigurację, to wydajność konfiguracji może zostać zweryfikowana podczas etapu optymalizacji i może zostać ostatecznie przeskalowana 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 w celu ograniczenia następującej optymalizacji do zakresu parametrów, w którym nie obserwuje się negatywnych skutków. W przypadku studium wykonalności zalecane są małe laboratoria lub blaty stołowe, aby ograniczyć wydatki na sprzęt i próbki w takich próbach. Zasadniczo jednostki studium wykonalności o wartości od 100 do 1000 W bardzo dobrze służą celom studium wykonalności. (por. Hielscher 2005)

Optymalizacja

Wyniki osiągnięte w trakcie studiów wykonalności może okazać dość wysokie zużycie energii w odniesieniu do małej objętości leczonej. Ale Celem badania wykonalności jest przede wszystkim pokazanie skutków ultradźwięków do materiału. Jeżeli badanie wykonalności w nastąpiło pozytywne efekty dalsze należy dołożyć starań, aby zoptymalizować stosunek energii / objętość. Oznacza to, aby zbadać dokładne dopasowanie parametrów ultradźwiękowych osiągnąć najwyższą wydajnością z użyciem mniejszej ilości energii, aby możliwy proces najbardziej uzasadnione ekonomicznie i wydajny. Aby znaleźć optymalną konfigurację parametrów – uzyskanie zamierzonych korzyści przy minimalnym zużyciu energii - korelacja pomiędzy najważniejszymi parametrami Amplituda, ciśnienie, temperaturę i ciekły Kompozycja ma być badane. W tym drugim etapie zmiana ultradźwiękami wsadowy do ciągłego ustawiania sonikacyjnego reaktora komórek przepływu jest zalecane, gdyż ważnym parametrem ciśnieniu nie może wpływać na działania ultradźwiękami wsadowego. Podczas ultradźwiękami w partii ciśnienia ogranicza się do ciśnienia otoczenia. Jeżeli proces przechodzi do komory sonikację komórek przepływu ciśnieniowego, ciśnienie może być zwiększone (lub zmniejszone), która na ogół wpływa na ultradźwiękowy kawitacja drastycznie. Przy użyciu komórek przepływu, zależność pomiędzy ciśnieniem a wydajność procesu można ustalić. Ultradźwiękowe procesory między 500 watów i 2000 watów siły są najbardziej odpowiednie do optymalizacji procesu.

Scale-Up do produkcji komercyjnej

Jeśli stwierdzono, optymalna konfiguracja, dalsze powiększanie skali jest proste ultradźwięków są całkowicie powtarzalna w skali liniowej. Oznacza to, że gdy ultradźwięk zostanie zastosowany do identycznej ciekłej formulacji przy identycznej konfiguracji parametrów przetwarzania, ta sama energia na objętość jest wymagana do uzyskania identycznego wyniku niezależnego od skali przetwarzania. (Hielscher 2005). Dzięki temu możliwa jest optymalna konfiguracja parametrów ultradźwięków do pełnej wielkości produkcji. Praktycznie objętość, która może być przetwarzana ultradźwiękowo, jest nieograniczona. Komercyjne systemy ultradźwiękowe o mocy do 16.000 watt jednostki są dostępne i mogą być instalowane w klastrach. Takie skupiska procesorów ultradźwiękowych może być zainstalowany równolegle lub szeregowo. Przez instalację klastra mądry ultradźwiękowych dużej mocy procesorów, łączna moc jest niemal nieograniczona, tak że duża ilość strumieni mogą być przetwarzane bez problemu. Również, jeśli wymagana jest adaptacja układu ultradźwiękowego, np dostosowanie parametrów zmodyfikowanego ciekłego preparatu, można je w większości odbywa się przez zmianę sonotrody przypominającą lub komórkę przepływu. Skalowalność liniowa, powtarzalność i adaptacyjnych USG zrobić to innowacyjna technologia wydajne i opłacalne.

Parametry Przetwarzania ultradźwiękowe

Ultradźwiękowy płyn przetwarzania jest opisany przez kilka parametrów. Najważniejsze jest amplituda, ciśnienia, temperatury, lepkości i stężenia. Rezultatem procesu, takich jak wielkość cząstek, dla danej konfiguracji parametr jest zależny od energii na przetwarzane objętości. Funkcja zmienia się zmiany poszczególnych parametrów. Ponadto rzeczywiste mocy na powierzchni sonotrody ultradźwiękowej jednostce, zależy od parametrów. Wyjście mocy na powierzchni sonotrody jest intensywność powierzchni (I). Intensywność powierzchni zależy od amplitudy (A), ciśnienie (P), objętość reaktora (VR), temperatura (T), lepkość (η) i inne.

Wpływ wytworzonego kawitacji zależy od intensywności powierzchniowej. W ten sam sposób, wynik koreluje proces. Całkowita moc wyjściowa łaźni ultradźwiękowej jest iloczynem natężenia powierzchni (I) i powierzchni (S)

P [W] ja [W / mm²] * S[mm²]

amplituda

Amplituda oscylacji opisuje sposób (na przykład 50 um) powierzchnia sonotrody przemieszcza się w danym czasie (na przykład 1 / 20,000s przy 20 kHz). Im większa jest amplituda, tym większa jest szybkość, z jaką ciśnienie obniża się i zwiększa się przy każdym uderzeniu. Oprócz tego, przemieszczenia Wielkość każdego skoku wzrostu wynikające z większej objętości kawitacyjnej (rozmiar pęcherzyka i / lub ilości). Gdy stosuje się dyspersje, wzrost amplitudy wykazują większą destrukcyjny dla cząstek stałych. Tabela 1 przedstawia ogólne wartości dla niektórych ultradźwiękowych procesów.

nacisk

Temperatura wrzenia cieczy zależy od ciśnienia. Im wyższe ciśnienie, tym wyższa temperatura wrzenia i odwrotnie. Podwyższone ciśnienie pozwala na kawitację w temperaturach bliskich lub powyżej temperatury wrzenia. Zwiększa również intensywność implozji, co jest związane z różnicą między ciśnieniem statycznym a ciśnieniem pary wewnątrz pęcherzyka (porównaj Vercet i wsp. 1999). Ponieważ moc ultradźwiękowa i intensywność zmieniają się szybko wraz ze zmianami ciśnienia, preferowana jest pompa o stałym ciśnieniu. Podczas dostarczania cieczy do komory przepływowej pompa powinna być zdolna do przenoszenia określonego przepływu cieczy przy odpowiednich ciśnieniach. Pompy przeponowe lub membranowe; pompy elastyczne, wężowe lub ściskające; pompy perystaltyczne; lub tłok lub pompa nurnikowa tworzy zmienne wahania ciśnienia. Zalecane są pompy odśrodkowe, pompy zębate, pompy spiralne i progresywne pompy próżniowe, które dostarczają ciecz do sonikacji przy stałym, stabilnym ciśnieniu. (Hielscher 2005)

Temperatura

Przez sonikację płynu moc jest przenoszona do podłoża. Generowane drgania za pomocą ultradźwięków powoduje turbulencje i tarcie, sonikacji cieczy - zgodnie z prawem termodynamiki – będzie się nagrzewać. Podwyższone temperatury przetwarzanego medium może być szkodliwy dla materiału i zmniejszenie skuteczności kawitacji ultradźwiękowej. Innowacyjne ultradźwiękowe komórki przepływowe są wyposażone w płaszcz chłodzący (patrz rysunek). Przez to, dokładna kontrola temperatury materiału podczas obróbki ultradźwiękami jest podane. Do sonikacji zlewki mniejszych objętości zaleca się łaźnię lodową w celu odprowadzenia ciepła.

Lepkość i koncentracja

Ultradźwiękowy Przemiał i Dyspersacja Procesy są ciekłe. Cząstki muszą one być w zawiesinie, np w wodzie, oleju, rozpuszczalników lub żywic. Przez zastosowanie ultradźwięków systemach przepływowych, możliwe staje się bardzo lepki, sonikacja ciastowatego materiału.
Duża moc ultradźwiękowa procesor może być prowadzony na stosunkowo wysokich stężeniach ciał stałych. Wysokie stężenie zapewnia skuteczność obróbki ultradźwiękowej, jak ultradźwięki efekt mielenia spowodowane zderzeniem międzycząstkowych. Badania wykazały, że szybkość pęknięcia krzemionki jest niezależna od zawartości substancji stałych do 50% wagowych. Przetwarzanie przedmieszek o współczynniku wysoce stężonych materiału jest powszechną procedurą produkcyjnym o ultrasonikacji.

Moc i intensywność vs. Energii

Intensywność powierzchni i całkowita moc nie opisać intensywność obróbki. Dźwiękami objętości próbki, a czas ekspozycji przy pewnym natężeniu należy rozważyć w celu opisania procesu sonikacji w celu uczynienia go skalowalne i powtarzalne. Dla danej konfiguracji parametru W wyniku procesu, np Wielkość cząstek lub konwersji chemicznej, będzie zależeć od energii na jednostkę objętości (E / V).

wynik = fa (mi /V )

Gdzie energii (E) jest iloczynem mocy (P), a czas ekspozycji (t).

mi[Ws] = P[W] *T[S]

Zmiany w konfiguracji parametrów zmieni funkcję wynikową. To z kolei będzie się zmieniać ilość energii (E) wymaganej dla danej wartości próbki (V) w celu uzyskania określonej wartości wyników. Z tego powodu nie wystarczy wdrożyć pewną moc ultradźwięków do procesu, aby uzyskać wynik. Bardziej wyrafinowane podejście jest konieczne w celu identyfikacji niezbędnej mocy oraz konfigurację parametrów, przy której moc powinny być wprowadzane do materiału procesowego. (Hielscher 2005)

Ultradźwiękami Assisted produkcji bioetanolu

Jest on już wie, że ultradźwięki poprawia produkcję bioetanolu. Zaleca się zagęszczenia płynu z biomasy o dużej lepkości zawiesiny, która jest nadal do pompowania. Reaktory ultradźwiękowe może obsłużyć stosunkowo wysokie stężenia stałych tak, że proces może być prowadzony sonikacji najbardziej skuteczny. Im bardziej materiał znajduje się w zawiesinie, tym mniej ciekłego nośnika, który nie skorzysta z procesu sonikacji będą traktowane. Jako dopływ energii do cieczy powoduje nagrzewanie cieczy przez prawem termodynamiki, to znaczy, że energia ultradźwiękowa jest stosowane do materiału docelowego, o ile to możliwe. Dzięki takiej konstrukcji sposób skuteczny proces, marnotrawstwem ogrzewanie nadmiaru cieczy nośnej jest unikać.
USG pomaga ekstracji materiału wewnątrzkomórkowego i sprawia, że ​​w ten sposób dostępna do fermentacji enzymatycznej. Łagodne ultradźwięków mogą poprawić aktywność enzymatyczną, ale ekstrakcja biomasy będzie wymagane intensywniejsze ultradźwiękowego. W związku z tym, że enzymy powinny być dodane do zawiesiny biomasy, gdy sonikacja jako intensywne ultradźwięków inaktywuje enzymy, która jest nie pożądany efekt.

Aktualne wyniki osiągnięte przez badania naukowe:

Badania Yoswathana et al. (2010) w przedmiocie z produkcji bioetanolu ze słomy ryżowej wykazały, że kombinacja kwasu obróbki wstępnej i ultradźwiękowe przed obróbką enzymatyczną prowadzi do zwiększonej wydajności cukru, aż do 44% (na podstawie słomy ryż). To wskazuje na skuteczność kombinacji fizycznej i chemicznej obróbce wstępnej przed hydrolizy enzymatycznej lignocelulozy materiału cukru.

Schemat 2 ilustruje korzystny wpływ ultradźwięków podczas wytwarzania bioetanolu ze słomy ryżowej graficznie. (Węgiel został użyty do detoksykacji poddaną obróbce wstępnej próbki ze wstępnego kwasu / enzym i ultradźwiękowej obróbki wstępnej).

W innym niedawnym badaniu, wpływ ultradźwięków na zewnątrzkomórkowe i wewnątrzkomórkowe poziomy enzymu β-galaktozydazy zostało zbadane. Sulaiman i in. (2011) może poprawić wydajność wytwarzania bioetanolu zasadniczo za pomocą ultradźwięków w kontrolowanej temperaturze stymulujący wzrost drożdży Kluyveromyces marxianus (ATCC 46537). Autorzy artykułu wznawia, że ​​okresowe działanie ultradźwiękami ultradźwiękami zasilania (20 kHz) w cyklach roboczych o ^ 20% stymuluje produkcji biomasy, laktozę metabolizm i wytwarzanie etanolu w K. marxianus przy stosunkowo wysokim natężeniu sonikacja 11.8Wcm^-2, W najlepszych warunkach sonikacji zwiększenie końcowego stężenia etanolu o blisko 3,5-krotnie w porównaniu z kontrolą. Odpowiada to wzmocnienie 3,5-krotny wzrost produktywności etanolu, ale wymaga 952W dodatkowego wkładu energii na metr sześcienny bulionu przez sonikację. Ten dodatkowy wymóg dla energii z pewnością mieszczą się w dopuszczalnych norm operacyjnych dla bioreaktorów oraz, w przypadku produktów o wysokiej wartości, może być łatwo kompensowane przez zwiększoną produktywność.

Wnioski: Korzyści z ultradźwiękami-Assisted Fermentacji

obróbka ultradźwiękowa wykazano jako skuteczny i innowacyjnej techniki, w celu zwiększenia wydajności bioetanolu. Przede wszystkim, ultradźwięki stosuje się do ekstrakcji materiału wewnątrzkomórkowego z biomasy, takich jak kukurydza, soja, słomy materiału lignocelulozowego albo odpadów roślinnego.

• Wzrost wydajności bioetanolu
• Disinteration / distruction komórek i uwolnienia substancji wewnątrzkomórkowej
• Ulepszony rozkład beztlenowy
• Aktywacja enzymów łagodne sonikowanie
• Poprawa wydajności procesu wysokie stężenie zawiesin

Proste badanie, powtarzalne skala-up i łatwy montaż (również w już istniejących strumieni produkcyjnych) sprawia ULTRASONICS zyskiem i wydajną technologię. Niezawodne przemysłowe ultradźwiękowe procesory do przetwarzania handlowej są dostępne i umożliwiają sonicate praktycznie nieograniczone ilości płynnych.