Hielscher tecnologia de ultra-som

Ultra-som Assisted de fermentação para produção de bioetanol

Fermentação

A fermentação pode ser um aeróbia (= fermentação oxidativa) ou processo anaeróbio, que é usado para aplicações biotecnológicas para converter o material orgânico por infecções bacterianas, fúngicas ou outras culturas de células biológica ou por enzimas. Por fermentação, a energia é extraída a partir da oxidação de compostos orgânicos, por exemplo hidratos de carbono.

O açúcar é o substrato mais comum de fermentação, resultando após fermentação em produtos, tais como ácido láctico, lactose, etanol e hidrogénio. Para a fermentação alcoólica, etanol - especialmente para uso como combustível, mas também para bebidas alcoólicas – é produzido por fermentação. Quando certas estirpes de levedura, tal como Saccharomyces cerevisiae metabolizar o açúcar, as células de levedura converter o material de partida em etanol e dióxido de carbono.

As equações químicas abaixo resumem a conversão:

Na produo de bioetanol comum, o açúcar é convertido por fermentação em ácido láctico, lactose, etanol e hidrogénio.

As equações químicas resumir a conversão de bioetanol.

Se o material de partida é o amido, por exemplo a partir do milho, em primeiro lugar o amido deve ser convertido em açúcar. Para bioetanol utilizado como combustível, a hidrólise para a conversão de amido é requerido. Tipicamente, a hidrólise é acelerada por meio de tratamento ácida ou enzimática ou por combinação de ambos. Normalmente, a fermentação é realizada em cerca de 35-40 ° C.
Visão geral sobre vários processos de fermentação:

Comida :

  • Produção & preservação
  • laticínios (fermentação de ácido láctico), por exemplo iogurte, o leitelho, o kefir
  • lácticos fermentados vegetais, por exemplo, Kimchi, miso, natto, tsukemono, chucrute
  • desenvolvimento de compostos aromáticos, por exemplo molho de soja
  • decomposição de agentes de curtimenta, por exemplo chá, cacau, café, tabaco
  • bebidas alcoólicas, por exemplo cerveja, vinho, uísque

Drogas :

  • produção de compostos medicinais, por exemplo insulina, ácido hialurónico

Biogás / Etanol:

  • melhoria de biogás / produção de bioetanol

Vários trabalhos de pesquisa e os ensaios em bancada e tamanho piloto mostraram que o ultra-som melhora o processo de fermentação, fazendo mais biomassa disponível para a fermentação enzimática. Na secção seguinte, serão elaborados os efeitos de ultra-sons em um líquido.

reactores de ultra-sons aumentar o rendimento de biodiesel e processamento Effiency!

Bioetanol pode ser produzido a partir de hastes de girassol, milho, cana de açúcar, etc.

Efeitos de ultra-sons Líquido Processamento

Por ultra-sons de alta potência / baixa frequência elevadas amplitudes pode ser gerado. Desse modo, de ultra-sons de alta potência / baixa-frequência podem ser utilizados para o tratamento de líquidos, tais como mistura, emulsionantes, dispersantes e desaglomeração, ou moagem.
Quando sonicando líquidos em altas intensidades, as ondas sonoras que se propagam para o meio líquido resultar em alternada de alta pressão (compressão) e ciclos de baixa pressão (rarefeitos), com taxas dependendo da frequência. Durante o ciclo de baixa pressão, ondas ultra-sónicas de alta intensidade criar bolhas de vácuo pequenas ou espaços vazios no líquido. Quando as bolhas de atingir um volume em que ela não pode mais absorver a energia, o colapso se violentamente durante um ciclo de alta pressão. Esse fenômeno é denominado cavitação. cavitação, isso é “a formação, o crescimento, e colapso implosivas de bolhas num líquido. colapso cavitação produz intenso aquecimento local (~ 5000 K), pressões elevadas (~ 1,000 atm), e enorme taxas de aquecimento e de arrefecimento (>109 K / seg)” e correntes de jato líquido (~ 400 km / h)”. (Suslick 1998)

Estrutura química de etanol

fórmula estrutural de etanol

Existem diferentes meios para criar cavitação, como por bicos de alta pressão, misturadores de rotor-estator ou processadores ultra-sônicos. Em todos esses sistemas, a energia de entrada é transformada em fricção, turbulências, ondas e cavitação. A fração da energia de entrada que se transforma em cavitação depende de vários fatores que descrevem o movimento do equipamento gerador de cavitação no líquido. A intensidade da aceleração é um dos fatores mais importantes que influenciam a transformação eficiente da energia em cavitação. Maior aceleração cria maiores diferenças de pressão. Isso, por sua vez, aumenta a probabilidade de criação de bolhas de vácuo em vez da criação de ondas que se propagam através do líquido. Assim, quanto maior a aceleração, maior a fração da energia que se transforma em cavitação.
No caso de um transdutor de ultra-sons, a amplitude de oscilação descreve a intensidade de aceleração. amplitudes mais altos resultam em uma criação mais eficaz de cavitação. Além da intensidade, o líquido deve ser acelerado de forma a criar perdas mínimas em termos de turbulências, a fricção e a geração de ondas. Para isso, a melhor maneira é uma direção unilateral de movimento. Alterar a intensidade e os parâmetros do processo de ultra-sons, de ultra-som pode ser muito difícil ou muito suave. Isso faz com que o ultra-som uma ferramenta muito versátil para várias aplicações.
Compact and powerful ultrasonic lab devices allow for simple testings in small scale to evaluate process feasibility

Imagem 1 – dispositivo laboratório de ultra-som UP100H (100 watts) para testes de viabilidade

aplicações moles, aplicando sonicação suave sob condições suaves, incluem desgaseificação, Emulsão, E activação de enzimas. aplicações rígidos com elevada intensidade / ultra-sons de alta potência (principalmente sob pressão elevada) sejam moagem húmida, desaglomeração & redução de tamanho de partícula, e Dispersão. Para muitas aplicações, tais como Extração, Ou desintegração sonoquímica, A intensidade ultra-sónica requerida depende do material específico a ser sonicado. Pela variedade de parâmetros, a qual pode ser adaptado para o processo individual, ultra-som permite encontrar o ponto ideal para cada processo individual.
Além de uma conversão de energia excepcional, ultra-som oferece a grande vantagem de total controle sobre os parâmetros mais importantes: Amplitude, pressão, temperatura, viscosidade e concentração. Isto oferece a possibilidade de ajustar todos esses parâmetros com o objetivo de encontrar os parâmetros de processamento ideais para cada material específico. Isto resulta numa maior eficácia, bem como na eficácia optimizada.

O ultra-som para melhorar os processos de fermentação, explicou exemplarmente com a produção de bioetanol

Bioetanol é um produto da decomposição de biomassa ou material biodegradável de resíduos por bactérias anaeróbicas ou aeróbicas. O etanol produzido é utilizado principalmente como biocombustível. Isso faz com bioetanol uma alternativa renovável e ambientalmente amigável para os combustíveis fósseis, como o gás natural.
Para produzir etanol a partir de biomassa, o açúcar, o amido e o material lignocelulósico pode ser usado como matéria-prima. Para a produção industrial de tamanho, açúcar e amido são actualmente predominante como eles são economicamente favorável.
Como ultra-som melhora um processo de cliente individual com matéria-prima específica em determinadas condições pode ser experimentado muito simples através de testes de viabilidade. No primeiro passo, a sonicação de uma pequena quantidade da suspensão de matéria-prima com um ultra-sons dispositivo de laboratório vai mostrar, se o ultra-som afeta a matéria-prima.

Testes de viabilidade

Na primeira fase de testes, é adequado para introduzir uma quantidade relativamente elevada de energia de ultra-sons num pequeno volume de líquido que assim a chance aumenta para ver se todos os resultados podem ser obtidos. Um pequeno volume de amostra também encurta o tempo usando um aparelho de laboratório e reduz os custos para os primeiros testes.
As ondas de ultra-som são transmitidas pela superfície da sonotrodo para dentro do líquido. Beneth superfície do sonotrode, a intensidade ultra-sons é mais intenso. Desse modo, curtas distâncias entre sonotrodo e o material sonicado são preferidos. Quando um pequeno volume de líquido é exposto, a distância entre o sonotrodo pode ser mantido curto.
A tabela abaixo mostra os níveis típicos de energia / volume para processos de sonicação após optimização. Desde os primeiros ensaios não será executado em configuração óptima, intensidade e tempo de sonicação por 10 a 50 vezes do valor típico irá mostrar se há algum efeito do material sonicado ou não.

Processo

Energia/

Volume

Volume de amostra

Poder

Tempo

Simples

< 100Ws / mL

10mL

50w

< 20 seg

Médio

100Ws / mL a 500Ws / mL

10mL

50w

20 a 100 seg

Difícil

> 500Ws / mL

10mL

50w

>100 seg

tabela 1 – Os valores típicos de sonicação após optimização de processos

A entrada de energia real das pistas de teste pode ser registada por meio de gravação de dados integrado (UP200Ht e UP200St), PC-interface ou por powermeter. Em combinação com os dados gravados de ajuste da amplitude e da temperatura, os resultados de cada ensaio pode ser avaliada e pode ser estabelecida uma linha de fundo para a energia / volume.
Se, durante os testes, foi escolhida uma configuração ideal, esse desempenho de configuração pode ser verificado durante um passo de otimização e pode ser finalmente escalado para o nível comercial. Para facilitar a otimização, é altamente recomendado examinar os limites da sonicação, por exemplo, temperatura, amplitude ou energia / volume para formulações específicas, também. Como o ultra-som pode gerar efeitos negativos para células, produtos químicos ou partículas, os níveis críticos para cada parâmetro precisam ser examinados para limitar a otimização a seguir ao intervalo de parâmetros onde os efeitos negativos não são observados. Para o estudo de viabilidade, pequenas unidades de laboratório ou de bancada são recomendadas para limitar as despesas de equipamentos e amostras em tais ensaios. Geralmente, as unidades de 100 a 1.000 watts servem muito bem os objetivos do estudo de viabilidade. (ver Hielscher 2005)

Ultrasonic processes are easy to optimize and to scale up. This turns ultrasonication into an highly potential processing alternative to high pressure homogenizers, pearl and bead mills or three-roll mills.

tabela 1 – Os valores típicos de sonicação após optimização de processos

Otimização

Os resultados obtidos durante os estudos de viabilidade, podem mostrar um consumo muito elevado de energia em relação ao pequeno volume tratado. Mas o propósito do teste de viabilidade é principalmente para mostrar os efeitos do ultra-som para o material. Se no teste de viabilidade efeitos positivos ocorreu, maiores devem ser feitos esforços para optimizar a relação energia / volume. Isso significa que para explorar a configuração ideal de parâmetros de ultra-som para alcançar o maior rendimento usando menos energia possível para tornar o processo economicamente mais razoável e eficiente. Para encontrar a configuração de parâmetro ideal – obtendo os benefícios pretendidos com o mínimo de entrada de energia – a correlação entre os parâmetros mais importantes amplitude, pressão, temperatura e líquido composição tem que ser investigado. Neste segundo passo, a mudança de ultra-sons em lotes para uma configuração contínua com sonicação reactor de célula de fluxo é recomendada como o parâmetro importante de pressão não pode ser influenciado por ultra-sons em lotes. Durante a sonicação num lote, a pressão é limitada a pressão ambiente. Se o processo de ultra-sons passa de uma câmara de célula de fluxo pressurizável, a pressão pode ser elevada (ou reduzida), o que em geral afecta a ultra-sons cavitação drasticamente. Usando uma célula de fluxo, pode ser determinada a correlação entre a pressão e a eficiência do processo. Os processadores de ultra-sons entre 500 watts e 2000 Watts de alimentação são mais adequados para optimizar um processo.

Fully controllable ultrasonic equipment allows for process optimization and completely linear scale-up

Imagem 2 - Fluxograma para a otimização de um processo de ultra-som

Scale-Up para a Produção Comercial

Se a configuração óptima foi encontrada, o ainda mais o aumento de escala é simples como processos ultra-sónicos são totalmente reprodutível em uma escala linear. Isto significa que, quando o ultra-som é aplicado a uma formulação líquida idêntica em configuração de parâmetro de processamento idêntico, é necessária a mesma energia por volume para obter um resultado idêntico independente da escala de processamento. (Hielscher 2005). Isso torna possível implementar a configuração ideal de parâmetros de ultra-som para o tamanho da produção em escala total. Praticamente, o volume que pode ser processado por ultra-som é ilimitado. Sistemas ultra-sônicos comerciais com até 16.000 watts por unidade estão disponíveis e podem ser instaladas em clusters. Tais grupos de processadores de ultra-sons pode ser instalado em paralelo ou em série. Pela instalação de cluster-wise de processadores de ultra-som de alta potência, a potência total é quase ilimitada para que fluxos de grande volume pode ser processado sem problema. Além disso, se é necessária uma adaptação do sistema de ultra-sons, por exemplo para ajustar os parâmetros para uma formulação líquida modificada, isto pode ser feito principalmente alterando sonotrodo, de reforço ou a célula de fluxo. A escalabilidade linear, a reprodutibilidade ea adaptabilidade do ultra-som fazem esta tecnologia inovadora eficiente e rentável.

16kW ultrasonic machine for industrial processing of large volume streams, e.g. biodiesel, bioethanol, nano particle processing and manifold other applications.

Imagem 3 - processador ultra-industrial UIP16000 com potência de 16.000 watts

Parâmetros de Ultrasonic Processamento

O processamento líquido ultra-sônico é descrito por uma série de parâmetros. O mais importante é a amplitude, pressão, temperatura, viscosidade e concentração. O resultado do processo, como o tamanho de partícula, para uma dada configuração de parâmetro é uma função da energia por volume processado. A função muda com as alterações nos parâmetros individuais. Além disso, a potência real por área superficial do sonotrodo de uma unidade ultra-sônica depende dos parâmetros. A saída de potência por área de superfície do sonotrodo é a intensidade da superfície (I). A intensidade da superfície depende da amplitude (A), da pressão (p), do volume do reator (VR), da temperatura (T), da viscosidade (η) e de outros.

Os parâmetros mais importantes de processamento de ultra-sons incluem amplitude (A), a pressão (P), o volume do reactor (VR), a temperatura (T), e viscosidade (η).

O impacto por cavitação ultra-sónica de processamento depende da intensidade da superfície que é descrito por amplitude (A), a pressão (P), o volume do reactor (VR), a temperatura (T), a viscosidade (η) e outros. As mais e menos sinais indicam uma influência positiva ou negativa do parâmetro específico da intensidade de sonicação.

O impacto da cavitação gerada depende da intensidade da superfície. Da mesma forma, o resultado do processo correlaciona. A saída de energia total de uma unidade de ultra-sons é o produto da intensidade da superfície (I) e a área de superfície (S):

P [W] Eu [W / milímetros²] * S[milímetros²]

amplitude

A amplitude de oscilação descreve a forma (por exemplo, 50 mm) da superfície do sonotrode viaja em um determinado momento (por exemplo, 1 / 20,000s a 20 kHz). Quanto maior for a amplitude, maior é a velocidade à qual os reduz a pressão e aumenta em cada curso. Além disso, o deslocamento de volume de cada um AVC aumenta, resultando em um volume maior cavitação (tamanho de bolha e / ou número). Quando aplicado a dispersões, as amplitudes mais elevadas apresentam uma destruição maior para partículas sólidas. A Tabela 1 mostra os valores gerais de alguns processos de ultra-sons.

The ultrasound amplitude is an important process parameter.

mesa 2 – Recomendações gerais para amplitudes

pressão

O ponto de ebulição de um líquido depende da pressão. Quanto maior a pressão, maior é o ponto de ebulição e reverso. A pressão elevada permite cavitação a temperaturas próximas ou acima do ponto de ebulição. Também aumenta a intensidade da implosão, que está relacionada à diferença entre a pressão estática e a pressão de vapor dentro da bolha (ver Vercet et al., 1999). Uma vez que a potência e a intensidade ultra-sônica mudam rapidamente com as mudanças de pressão, é preferível uma bomba de pressão constante. Ao fornecer líquido a uma célula de fluxo, a bomba deve ser capaz de manipular o fluxo de líquido específico a pressões adequadas. Bombas de diafragma ou membrana; bombas de tubo flexível, mangueira ou espremer; bombas peristálticas; ou pistão ou bomba de êmbolo criará flutuações de pressão alternadas. São preferidas bombas centrífugas, bombas de engrenagem, bombas em espiral e bombas de cavidade progressiva que fornecem o líquido a ser submetido a uma pressão continuamente estável. (Hielscher 2005)

Temperatura

Por sonicaçao de um líquido, a potência é transmitida para o meio. Como oscilação ultra-sonicamente gerada provoca turbulências e o atrito, o líquido sonicada - de acordo com a lei da termodinâmica – vai aquecer. As temperaturas elevadas da forma processada pode ser destrutivo para o material e reduzir a eficácia de cavitação ultra-sónica. células de fluxo ultra-sónicas inovadoras está equipado com uma camisa de arrefecimento (ver quadro). Por isso, o controlo exacto sobre a temperatura do material durante o processamento de ultra-sons é determinado. Para a sonicação proveta de volumes mais pequenos de um banho de gelo para a dissipação de calor é recomendado.

Picture 3 – Ultrasonic transducer UIP1000hd (1000 watts) with flow cell equipped with cooling jacket – typical equipment for optimization steps or small scale production

Imagem 3 - Ultrasonic transdutor UIP1000hd (1000 watts) com célula de fluxo equipado com camisa de arrefecimento - equipamento típico para passos de optimização ou produção em pequena escala

Viscosidade e Concentração

ultra-sônica fresagem e Dispersão são processos líquidos. As partículas têm que estar numa suspensão, por exemplo em água, o petróleo, solventes ou resinas. Através da utilização de sistemas de fluxo através de ultra-sons, torna-se possível sonicar material muito viscoso, pastoso.
De alta energia ultra-sónica do processador pode ser executado em concentrações de sólidos relativamente altas. Uma concentração elevada proporciona a eficácia do tratamento ultra-sónico, como efeito de moagem de ultra-sons é causada por colisão inter-partículas. Investigações demonstraram que a taxa de quebra de sílica é independente da concentração de sólidos de até 50% em peso. O processamento de lotes principais com proporção de material altamente concentrado é um processo de produção comum, utilizando ultra-sons.

Poder e intensidade vs. Energia

intensidade superfície e potência total não apenas descrevem a intensidade de processamento. O volume da amostra sonicada e o tempo de exposição a uma determinada intensidade tem que ser considerado para descrever um processo de ultra-sons, a fim de torná-lo escalável e reprodutível. Para uma dada configuração de parâmetros, o resultado do processo, por exemplo tamanho de partícula ou por convers quica, dependerá da energia por unidade de volume (E / V).

resultado = F (E /V )

Quando a energia (E) é o produto da saída de potência (P) e o tempo de exposição (t).

E[ws] = P[W] *T[S]

Mudanças na configuração de parâmetros vai mudar a função de resultado. Isto por sua vez irá variar a quantidade de energia (E) necessário para um dado valor da amostra (V) para obter um valor de resultado específico. Por esta razão, não é suficiente para implantar um certo poder de ultra-som para um processo para obter um resultado. Uma abordagem mais sofisticada é necessária para identificar a potência necessária ea configuração parâmetro no qual o poder deve ser colocado no material de processo. (Hielscher 2005)

Ultra-som Assisted produção de bioetanol

É já sabe que o ultra-som melhora a produção de bioetanol. É recomendável para engrossar o líquido com a biomassa a uma pasta altamente viscosa que ainda é bombeável. reactores de ultra-sons pode lidar com bastante elevadas concentrações de sólidos de modo a que o processo de ultra-sons pode ser executado mais eficiente. Quanto mais o material está contido na pasta, a menos líquido transportador, o que não irá beneficiar do processo de ultra-sons, vai ser tratado. À medida que a entrada de energia para um líquido provoca um aquecimento do líquido por lei da termodinâmica, isto significa que a energia de ultra-som é aplicado ao material do alvo, na medida do possível. Com uma tal concepção do processo eficiente, um aquecimento desperdício do líquido transportador excesso é evitado.
O ultra-som auxilia o Extração do material intracelular e, assim, torna disponível para a fermentação enzimática. tratamento de ultra-som leve pode aumentar a actividade enzimática, mas para a extracção da biomassa será necessário ultra-sons mais intenso. Assim, as enzimas devem ser adicionados à lama de biomassa após a sonicação como ultra-sons intensos inactiva as enzimas, o que é um efeito não desejado.

Os resultados atuais obtidos pela pesquisa científica:

Os estudos de Yoswathana et al. (2010), relativo com a produo de bioetanol a partir de palha de arroz mostraram que a combinação do pré-tratamento com ácido e de ultra-sons antes chumbo tratamento enzimático para um aumento da produção de açúcar de (base de palha de arroz) até 44%. Isto demonstra a eficácia da combinação do pré-tratamento físico e químico antes que a hidrólise enzimática de material de lignocelulose de açúcar.

O Quadro 2 ilustra os efeitos positivos da irradiação de ultra-sons durante a produção de etanol a partir da palha de arroz graficamente. (Carvão vegetal tem sido utilizado para desintoxicar as amostras pré-tratadas a partir de pré-tratamento ácido / enzima e pré-tratamento de ultra-sons).

Os ultra-sons assistidas resultados de fermentação em um rendimento de etanol superior significativa. O etanol tem sido produzido a partir de palha de arroz.

Gráfico 2 – realce de ultra-sons de rendimento de etanol durante a fermentação (Yoswathana et al. 2010)

Noutro estudo recente, foi examinada a influência de ultra-sons no extracelular e os níveis intracelulares de enzima β-galactosidase. Sulaiman et al. (2011) poderia melhorar a produtividade da produção de bioetanol substancialmente, utilizando ultra-sons a uma temperatura controlada estimular o crescimento das leveduras de Kluyveromyces marxianus (ATCC 46537). Os autores do artigo que retoma a sonicao intermitente com ultra-som de energia (20 KHz) em ciclos de funcionamento de ≤20% estimularam a produção de biomassa, metabolismo da lactose e a produção de etanol em K. marxianus a uma intensidade relativamente elevada de ultra-sons de 11.8Wcm-2. Sob as melhores condições, sonicação aumentada a concentração final de etanol em cerca de 3,5 vezes relativamente ao controlo. Isto correspondeu a um aumento de 3,5 vezes na produtividade do etanol, mas necessária 952W de entrada de energia adicional por metro cúbico de caldo através de ultra-sons. Este requisito adicional para a energia foi certamente dentro das normas operacionais aceitáveis ​​para biorreatores e, para produtos de alto valor, poderia ser facilmente compensada pelo aumento da produtividade.

Conclusão: Benefícios da fermentação Ultrassonicamente Assistida

tratamento de ultra-sons tem sido mostrado como uma técnica eficiente e inovadora para melhorar o rendimento de bioetanol. Principalmente, de ultra-sons é usado para extrair o material intracelular a partir de biomassa, tais como milho, soja, palha, material de ligno-celulósico ou resíduos vegetais.

  • Aumento do rendimento de bioetanol
  • Disinteration / distruction celular e libertação de material intracelular
  • decomposição anaeróbia melhorada
  • A activação de enzimas por sonicação suave
  • Melhoria da eficiência do processo de lamas de concentração elevada

O teste simples, scale-up reprodutível e de fácil instalação (também em fluxos de produção já existentes) faz ultrasonics uma tecnologia rentável e eficiente. Confiáveis ​​processadores ultra-sônicos industriais para processamento comercial estão disponíveis e permitem sonicate volumes líquidos praticamente ilimitadas.

UIP1000hd Bench-Top Ultrasonic Homogenizer

Picure 4 - Instalação com 1000W processador ultra UIP1000hd, Célula de fluxo, o tanque e a bomba

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Literatura / Referências

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