Fermentaţie

Fermentarea poate fi o aerob (= oxidativ fermentație) sau proces anaerob, care este utilizat pentru aplicații biotehnologice pentru a converti materiale organice de bacterii, fungi sau alte culturi de celule biologice sau de enzime. Prin fermentare, energia este extrasă din oxidarea compușilor organici, de exemplu, hidrati de carbon.

Zahăr este cel mai frecvent substrat de fermentare, care rezultă după fermentare în produse, cum ar fi acidul lactic, lactoză, etanol și hidrogen. Pentru fermentarea alcoolică, etanol - în special pentru utilizare drept combustibil, dar și pentru băuturile alcoolice – este produs prin fermentare. Atunci când anumite tulpini de drojdii, cum ar fi Saccharomyces cerevisiae metaboliza de zahar, celulele de drojdie transforma materia primă în etanol și dioxid de carbon.

Ecuațiile chimice de mai jos rezumă conversia:

Dacă materia primă este amidon, de ex din porumb, în ​​primul rând din amidon trebuie transformată în zahăr. Pentru bioetanol utilizat drept combustibil, este necesară hidroliză pentru conversia amidonului. De obicei, hidroliza este accelerată prin tratament acid sau enzimatic sau prin combinarea ambelor. In mod normal, fermentarea este realizată la aproximativ 35-40 ° C.
Privire de ansamblu asupra diferitelor procese de fermentație:

Alimente :

• producere & conservare
• lactate (fermentare acid lactic), de exemplu iaurt, lapte batut, kefir
• lactici legume fermentate, de exemplu Kimchi, miso, natto, tsukemono, varză acră
• dezvoltarea compușilor aromatici, de ex sos de soia
• descompunerea agenților de tăbăcire, de ex ceai, cacao, cafea, tutun
• băuturi alcoolice, de exemplu bere, vin, whisky

Droguri :

• producția de compuși medicali, de ex insulină, acid hialuronic

Biogaz / Etanol:

• îmbunătățirea biogazului / producerea de bioetanol

Diverse lucrari de cercetare si teste in banc-top și dimensiunea pilot au arătat că ultrasunete îmbunătățește procesul de fermentare prin punerea mai biomasă disponibilă pentru fermentația enzimatică. În secțiunea următoare, efectele ultrasunete într-un lichid va fi elaborat.

Efectele prelucrării lichide cu ultrasunete

De mare putere / de joasă frecvență cu ultrasunete amplitudini mari pot fi generate. Astfel, de mare putere / frecventa joasa cu ultrasunete poate fi utilizat pentru prelucrarea de lichide, cum ar fi amestecarea, emulsifiere, dispersare și dezaglomerare sau frezare.
Când sonicarea lichide la intensități mari, undele de sunet care se propagă în mediul lichid rezultat alternativ de înaltă presiune (compresie) și cicluri (descarcării) de joasă presiune, cu rate în funcție de frecvență. În timpul ciclului de joasă presiune, de înaltă intensitate unde ultrasonice a crea bule mici de vid sau golurile în lichid. Când bulele atinge un volum în care acestea nu mai pot absorbi energie, ele colaps violent în timpul unui ciclu de înaltă presiune. Acest fenomen este numit cavitație. cavitație, acesta este “formarea, creșterea și prăbușirea implozivă de bule într-un lichid. colaps cavitaționale produce încălzire intensă local (~ 5000 K), presiuni ridicate (~ 1000 atm) și încălzire enormă și ratele de răcire (>109 K / sec)” și fluxuri de jet de lichid (-400 km / h).“ (Suslick 1998)

Există diferite modalități de a crea cavitație, cum ar fi prin duze de înaltă presiune, mixere rotor-stator sau procesoare cu ultrasunete. În toate aceste sisteme energia de intrare este transformată în frecare, turbulențe, valuri și cavitație. Fracțiunea din energia de intrare care este transformată în cavitație depinde de mai mulți factori care descriu mișcarea echipamentului generat de cavitație în lichid. Intensitatea accelerației este unul dintre cei mai importanți factori care influențează transformarea eficientă a energiei în cavitație. Accelerarea mai mare creează diferențe de presiune mai mari. Aceasta, la rândul său, crește probabilitatea creării de bule de vid în loc de crearea de unde care se propagă prin lichid. Astfel, cu cât este mai mare accelerația, cu atât este mai mare fracțiunea de energie care este transformată în cavitație.
In cazul unui traductor ultrasonic, amplitudinea oscilației descrie intensitatea accelerației. amplitudini mai mari ca rezultat o creație mai eficientă de cavitatie. În plus față de intensitatea, lichidul trebuie să fie accelerat într-un mod de a crea pierderi minime în termeni de turbulențe, frecare și generarea de undă. Pentru aceasta, calea optimă este o direcție unilaterală de mișcare. Modificarea intensității și parametrii procesului de tratare cu ultrasunete, cu ultrasunete poate fi foarte greu sau foarte moale. Acest lucru face cu ultrasunete un instrument foarte versatil pentru diverse aplicații.

aplicatii Soft, aplicarea sonicare ușoară în condiții blânde, includ Degazare. emulsionareȘi activarea enzimelor. aplicatii dure cu intensitate mare / ultrasunete de mare putere (cea mai mare parte sub presiune ridicată) sunt măcinarea umedă. deaglomerare & reducerea dimensiunii particulelor și dispersant. Pentru multe aplicații, cum ar fi Extracţie, Dezintegrarea sau Sonochemistry, Intensitatea ultrasonică cerută depinde de materialul specific care urmează să fie sonicată. Prin varietatea de parametri, care pot fi adaptate la proces individual, cu ultrasunete permite găsirea locului dulce pentru fiecare proces în parte.
Pe lângă o conversie de putere remarcabilă, ultrasonication oferă marele avantaj al controlului deplin asupra celor mai importanți parametri: Amplitudine, presiune, temperatura, vascozitate si concentrare. Aceasta oferă posibilitatea de a ajusta toți acești parametri, cu scopul de a găsi parametrii de procesare ideale pentru fiecare material specific. Acest lucru duce la o eficiență sporită, cât și în eficiență optimizat.

Ultrasunete pentru a îmbunătăți procese de fermentație, a explicat cu producerea exemplar bioetanol

Bioetanolul este un produs al descompunerii biomasei sau a materiei biodegradabile a deșeurilor de bacterii anaerobe sau aerobe. Etanolul produs este utilizat în principal ca biocombustibil. Acest lucru face ca bioetanol o alternativă regenerabilă și ecologică pentru combustibilii fosili, cum ar fi gazele naturale.
Pentru a produce etanol din biomasă, zahăr, amidon, și materialul lignocelulozic poate fi folosit ca materie primă. Pentru dimensiune producția industrială, zahăr și amidon sunt predominante în mod curent, deoarece acestea sunt favorabile punct de vedere economic.
Cum ultrasunete imbunatateste un proces-client individual cu specifice de materii prime, în condiții date pot fi încercate foarte simplu, prin teste de fezabilitate. La prima etapă, sonicare unei cantități mici de pasta de materii prime cu un ultrasunete dispozitiv de laborator va arăta, în cazul în care ultrasunete afectează materia primă.

Testarea de fezabilitate

In prima faza de testare, este potrivit să se introducă o cantitate relativ mare de energie ultrasonică într-un volum mic de lichid ca prin aceasta crește șansa de a vedea dacă rezultatele pot fi obținute. Un volum mic eșantion scurtează, de asemenea, timpul, folosind un dispozitiv de laborator și reduce costurile convorbirilor pentru primele teste.
Undele ultrasunete sunt transmise de către suprafața sonotrodului în lichid. Beneth suprafața sonotrode, intensitatea cu ultrasunete este cea mai intensă. Astfel, sunt preferate distanțe scurte între sonotrode și materialul sonicată. Atunci când un volum de lichid mic este expus, distanța de la sonotroda pot fi păstrate scurt.
Tabelul de mai jos prezintă nivelele tipice de energie / volum pentru procesele de sonicare după optimizare. Deoarece primele teste nu va fi rulat la configurația optimă, intensitatea și sonicare timp de 10 până la 50 de ori din valoarea tipică va arăta dacă există vreun efect la materialul sonicată sau nu.

Proces	Energie/ volum	Volumul probei	Putere	timp
Simplu	< 100Ws / ml	10ml	50W	< 20 de secunde
Mediu	100Ws / ml la 500Ws / ml	10ml	50W	20 până la 100 sec
Greu	> 500Ws / ml	10ml	50W	>100 sec

tabelul 1 – Valorile tipice sonicare după optimizarea procesului

Intrarea puterea efectivă a operațiile de testare pot fi înregistrate prin înregistrarea de date integrate (Uf200 ः t și UP200St), interfață PC sau prin PowerMeter. În combinație cu datele înregistrate de setare amplitudine și temperatură, rezultatele fiecărui studiu pot fi evaluate și se poate stabili o linie de fund pentru energie / volum.
Dacă în timpul testelor a fost aleasă o configurație optimă, această performanță de configurare ar putea fi verificată în timpul unei etape de optimizare și ar putea fi extinsă la nivel comercial. Pentru a facilita optimizarea, este recomandat să se examineze limitele sonicării, de exemplu temperatura, amplitudinea sau energia / volumul pentru formulări specifice. Deoarece ultrasunetele ar putea genera efecte negative asupra celulelor, chimicalelor sau particulelor, nivelurile critice pentru fiecare parametru trebuie examinate pentru a limita următoarea optimizare la intervalul de parametri unde nu se observă efectele negative. Pentru studiul de fezabilitate, se recomandă să se limiteze costurile echipamentelor și eșantioanelor în astfel de încercări. În general, unitățile de 100 până la 1.000 de wați servesc foarte bine scopului studiului de fezabilitate. (vezi Hielscher 2005)

Optimizare

Rezultatele obținute în timpul studiilor de fezabilitate pot prezenta un consum destul de mare de energie în ceea ce privește volumul mic tratat. Dar scopul testului de fezabilitate este în primul rând pentru a arăta efectele ultrasunete pentru a materialului. Dacă în fezabilitate testarea efectelor pozitive produse, trebuie depuse eforturi suplimentare pentru a optimiza raportul energie / volum. Aceasta înseamnă a explora configurația ideală a parametrilor de ultrasunete pentru a obține cel mai mare randament, folosind mai puțină energie posibilă pentru a face procesul economic cel mai rațional și eficient. Pentru a găsi configurația optimă a parametrului – obținerea beneficiilor preconizate cu aport minim de energie – corelația dintre parametrii cei mai importanți amplitudinea, presiunea, temperatura și lichid Compoziția trebuie să fie investigate. În această a doua etapă, se recomandă schimbarea de la sonicare lot la o configurare sonicare continuu cu reactor flux de celule ca parametru important al presiunii nu poate fi influențată de sonicare lot. În timpul sonicare într-un lot, presiunea este limitată la presiunea ambiantă. Dacă procesul de sonicare trece printr-o cameră de flux de celule de presurizare, presiunea poate fi ridicată (sau redusă), care, în general afectează ultrasunete cavitație drastic. Prin utilizarea unei celule de curgere, corelația dintre presiunea și eficiența procesului poate fi determinată. procesoare cu ultrasunete între 500 wați și 2000 wați de putere sunt cele mai potrivite pentru a optimiza un proces.

Scale-up în producție comercială

Dacă configurația optimă a fost găsită, ulterioară scara mai este simplu ca ultrasunete sunt complet reproductibilă pe o scară liniară. Aceasta înseamnă că, atunci când ultrasunetele sunt aplicate unei compoziții lichide identice sub configurație identică a parametrilor de procesare, este necesară aceeași energie per volum pentru a obține un rezultat identic independent de scara de prelucrare. (Hielscher 2005). Acest lucru face posibilă implementarea configurației optime a parametrilor ultrasunetelor la dimensiunea de producție la scară completă. Practic, volumul care poate fi procesat cu ultrasunete este nelimitat. Sisteme comerciale ultrasonice cu până la 16.000 de wați per unitate sunt disponibile și pot fi instalate în clustere. Asemenea grupuri de procesoare cu ultrasunete pot fi instalate în paralel sau în serie. Prin instalarea cluster-e înțelept de procesoare cu ultrasunete de mare putere, puterea totală este aproape nelimitată, astfel încât fluxurile de volum mare pot fi procesate fără probleme. De asemenea, dacă este necesară o adaptare a sistemului ultrasonic, de ex pentru a regla parametrii de la o formulare lichidă modificat, acest lucru se poate face în mare parte prin schimbarea sonotrod, rapel sau flux de celule. Scalabilitatea liniară, reproductibilitatea și adaptabilitatea ultrasunete face această tehnologie inovatoare eficientă și rentabilă.

Parametrii de prelucrare cu ultrasunete

lichid de prelucrare cu ultrasunete este descris de un număr de parametri. Cel mai important este amplitudinea, presiunea, temperatura, vâscozitatea și concentrația. Rezultatul procesului, cum ar fi dimensiunea particulelor, pentru o configurație parametru dat este o funcție de energie per volum procesat. Funcția se schimbă cu alterarea parametrilor individuali. În plus, puterea efectivă pe suprafață a sonotrodului unei unități cu ultrasunete depinde de parametrii. Puterea pe suprafață a sonotrodului este intensitatea de suprafață (I). Intensitatea suprafeței depinde de amplitudine (A), presiunea (p), volumul reactorului (VR), temperatura (T), vâscozitatea (η) și altele.

Impactul cavitației generat depinde de intensitatea de suprafață. În același mod, rezultatul procesului se corelează. Producția totală de energie a unei unități cu ultrasunete este produsul de intensitate de suprafață (I) și suprafața (S):

P [W] eu [W / Mm²] * S[Mm²]

amplitudine

Amplitudinea oscilației descrie modul (de exemplu, 50 pm) suprafața de sonotrode se deplasează într-un timp dat (de exemplu 1 / 20,000s la 20kHz). Cu cât amplitudinea, cu atât mai mare este rata la care scade presiunea și crește la fiecare cursă. În plus față de faptul că, deplasarea volumului fiecărei creșteri de accident vascular cerebral rezultând într-un volum mai mare de cavitație (dimensiunea bulelor și / sau numărul). Atunci când sunt aplicate dispersii, amplitudini mai mari prezintă un distructivității mai mare la particule solide. Tabelul 1 prezintă valorile generale pentru anumite procese cu ultrasunete.

presiune

Punctul de fierbere al unui lichid depinde de presiune. Cu cât este mai mare presiunea cu atât este mai mare punctul de fierbere și invers. Presiunea ridicată permite cavitația la temperaturi apropiate sau superioare punctului de fierbere. De asemenea, crește intensitatea imploziției, care este legată de diferența dintre presiunea statică și presiunea de vapori din interiorul bulei (vezi Vercet et al., 1999). Deoarece puterea și intensitatea cu ultrasunete se schimbă repede cu schimbări de presiune, este preferabilă o pompă cu presiune constantă. Când se alimentează lichid într-o celulă de curgere, pompa trebuie să poată manipula debitul specific de lichid la presiuni adecvate. Pompe cu membrane sau membrane; tuburi flexibile, furtunuri sau compresoare; pompe peristaltice; sau pompa pistonului sau a pistonului va crea fluctuații de presiune alternante. Sunt preferate pompele centrifuge, pompele de angrenaj, pompele spirale și pompele cu cavități progresive care alimentează lichidul care trebuie supus sonicării la o presiune constantă. (Hielscher 2005)

Temperatura

Prin sonicizarea un lichid, puterea este transmisă în mediu. Ca oscilație generată cu ajutorul ultrasunetelor cauzează turbulenŃe și frecare, lichidul sonicată - în conformitate cu legea termodinamicii – se va încălzi. Temperaturile ridicate ale mediului prelucrate pot fi distructive pentru materialul și diminua eficacitatea cavitație cu ultrasunete. celule de debit cu ultrasunete inovatoare sunt echipate cu o manta de răcire (vezi imaginea). Prin faptul că, controlul exact asupra temperaturii materialului în timpul prelucrării cu ultrasunete este dat. Pentru sonicare pahar de laborator de volume mai mici, se recomandă o baie de gheață pentru disiparea căldurii.

Viscozitatea și concentrare

cu ultrasunete frezare și dispersant sunt procese lichide. Particulele trebuie să fie într-o suspensie, de exemplu, în apă, ulei, solvenți sau rășini. Prin utilizarea sistemelor străbatere cu ultrasunete, devine posibilă supune sonicării material foarte vâscos, sub formă de pastă.
De mare putere procesor cu ultrasunete poate fi rulat la concentrații relativ ridicate de solide. O concentrație ridicată asigură eficiența prelucrării cu ultrasunete, ca efect de măcinare cu ultrasunete este cauzată de coliziuni între particule. Investigațiile au arătat că rata de rupere de siliciu este independentă de solid concentrație de până la 50% în greutate. Procesarea preamestecuri cu raportul material foarte concentrat, este o procedură comună de producție folosind ultrasonare.

Putere și intensitate vs Energie

Intensitatea suprafeței și puterea totală descriu doar intensitatea prelucrării. Volumul eșantionului sonicată și timpul de expunere la o anumită intensitate trebuie luate în considerare pentru a descrie un proces de sonicare, în scopul de a face scalabil și reproductibil. Pentru o configurație parametru dat rezultatul procesului, de ex mărimea particulei sau conversie chimică, va depinde de energia pe volum (E / V).

rezultat = F (E /V )

În cazul în care energia (E) este produs de puterea (P) și timpul de expunere (t).

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

Modificări în configurația parametrului se va schimba funcția rezultat. Aceasta, la rândul său, va varia cantitatea de energie (E), necesare pentru o anumită valoare de probă (V) pentru a obține o valoare specifică rezultat. Din acest motiv, nu este suficient pentru a implementa o anumită putere de ultrasunete la un proces pentru a obține un rezultat. O abordare mai sofisticată este necesară pentru a identifica puterea necesară și configurația parametrilor la care puterea ar trebui să fie pus în materialul de proces. (Hielscher 2005)

Ultrasonically asistată Producere de bioetanol

Este deja stiu ca ultrasunete imbunatateste productia de bioetanol. Este recomandabil să se îngroașe lichidul cu biomasă la o suspensie foarte vâscoasă, care este încă pompabil. Reactoare ultrasonice poate manipula concentrații solide destul de mari, astfel încât procesul de sonicare poate fi rulat cel mai eficient. Cu cât sunt mai Materialul este conținut în pasta, lichidul purtător mai puțin, care nu vor profita de pe urma procesului de ultrasonare, vor fi tratate. Deoarece aportul de energie într-un lichid determină o încălzire a lichidului prin lege a termodinamicii, acest lucru înseamnă că energia ultrasonică este aplicată materialului țintă, în măsura în care este posibil. Printr-o astfel de un design eficient proces, o încălzire neraționale a lichidului purtător în exces este evitată.
Ultrasunete asistă Extracţie a materialului intracelular și îl face disponibil, prin urmare, pentru fermentarea enzimatică. Tratamentul cu ultrasunete ușoare pot îmbunătăți activitatea enzimatică, dar pentru extracția de biomasă va fi necesară cu ultrasunete mai intens. Prin urmare, enzimele trebuie adăugate la suspensia de biomasă după sonicare ca ultrasunete intens inactiveaza enzime, care este un efect nedorit.

Rezultatele curente obținute prin cercetare științifică:

Studiile Yoswathana et al. (2010) cu privire la producerea de bioetanol din paie de orez au arătat că o combinație de pre-tratament cu acid și cu ultrasunete, înainte de tratamentul enzimatic duce la un randament crescut de zahăr (baza paie de orez), până la 44%. Acest lucru demonstrează eficacitatea combinației de pretratament fizice și chimice, înainte de hidroliza enzimatică a materialului lignoceluloză zahărului.

Diagrama 2 ilustrează efectele pozitive ale iradierii cu ultrasunete în timpul producerii de bioetanol din paie de orez grafic. (Cărbune din lemn a fost folosit pentru a detoxifia probele pretratate de pretratare acidă / enzimă și pre-tratament cu ultrasunete.)

Intr-un alt studiu recent, influența ultrasonication asupra extracelulare și nivelurile intracelulare ale enzimei β-galactozidaza a fost examinată. Sulaiman și colab. (2011) ar putea îmbunătăți productivitatea producției de bioetanol substanțial, folosind ultrasunete la o temperatură controlată stimulează creșterea drojdiei de Kluyveromyces marxianus (ATCC 46537). Autorii lucrării se reia că sonicare intermitent cu ultrasunete de putere (20 kHz), la cicluri de funcționare de ≤20% a stimulat producerea de biomasă, metabolismul lactoză și producția de etanol în K. marxianus la o intensitate relativ mare sonicarea 11.8Wcm^-2. În cele mai bune condiții, sonicare îmbunătățită concentrația finală de etanol prin relativ aproape de 3,5 ori la control. Aceasta a corespuns la o creștere de 3,5 ori a productivității de etanol, dar este necesar 952W de intrare suplimentară pe metru cub de bulion prin sonicare. Această cerință suplimentară pentru energie a fost cu siguranță în cadrul normelor operaționale acceptabile pentru bioreactoare și, pentru produse cu valoare ridicată, ar putea fi ușor compensată prin creșterea productivității.

Concluzie: Beneficiile din fermentația cu ajutorul ultrasunetelor-Assisted

Tratamentul cu ultrasunete a fost demonstrat ca o tehnică eficientă și inovatoare pentru a spori randamentul bioetanol. In primul rand, ultrasunete este folosit pentru a extrage materialul intracelular din biomasă, cum ar fi porumb, soia, paie, material ligno-celulozic sau deșeuri vegetale.

• Creșterea randamentului de bioetanol
• Disinteration / distrucție celulară și eliberarea materialului intra-celular
• descompunere anaerobă îmbunătățită
• Activarea enzimelor prin sonicare ușoară
• Îmbunătățirea eficienței procesului de șlamuri concentrație ridicată

Simpla testare, reproductibilă la scară și instalarea ușoară (de asemenea, în fluxurile de producție deja existente) face ultrasunetelor o tehnologie profitabilă și eficientă. Reliable procesoare cu ultrasunete industriale pentru prelucrare comerciale sunt disponibile și fac posibilă volume de lichid se sonichează practic nelimitat.