Fermentare asistată ultrasonically pentru producția de bioetanol

Fermentarea asistată ultrasonically poate spori producția de bioetanol prin promovarea defalcării carbohidraților complexi în zaharuri mai simple, făcându-le mai ușor disponibile pentru drojdie pentru a se transforma în etanol. În același timp, sonicare, de asemenea, îmbunătățește eficiența permeabilității peretelui celular de drojdie, permițând eliberarea mai rapidă a etanolului și creșterea producției globale. Astfel, fermentarea bioetanolului asistată ultrasonically are ca rezultat rate de conversie mai mari și randamente îmbunătățite.

fermentare

Fermentarea poate fi un proces aerob (= fermentație oxidativă) sau anaerob, care este utilizat pentru aplicații biotehnologice pentru a converti materialul organic prin culturi de celule bacteriene, fungice sau alte culturi celulare biologice sau prin enzime. Prin fermentare, energia este extrasă din oxidarea compușilor organici, de exemplu carbohidrații.
Zahărul este cel mai comun substrat al fermentaÈ›iei, rezultând după fermentare în produse precum acidul lactic, lactoza, etanolul È™i hidrogenul. Pentru fermentaÈ›ia alcoolică, etanol – în special pentru utilizare drept combustibil, dar È™i pentru băuturi alcoolice – este produsă prin fermentaÈ›ie. Atunci când anumite tulpini de drojdie, cum ar fi Saccharomyces cerevisiae metabolizează zahărul, celulele de drojdie transformă materia primă în etanol È™i dioxid de carbon.

Ecuațiile chimice de mai jos rezumă conversia:

Dacă materia primă este amidonul, de exemplu din porumb, amidonul trebuie mai întâi transformat în zahăr. Pentru bioetanolul utilizat drept combustibil, este necesară hidroliza pentru conversia amidonului. De obicei, hidroliza este accelerată prin tratament acid sau enzimatic sau prin combinarea ambelor. În mod normal, fermentația se efectuează la aproximativ 35-40 °C.
Prezentare generală asupra diferitelor procese de fermentare:

Hrană:

• producÈ›ie & conservare
• lactate (fermentarea acidului lactic), de exemplu iaurt, zară, chefir
• legume fermentate lactic, de exemplu kimchi, miso, natto, tsukemono, varză murată
• dezvoltarea aromelor, de exemplu sosul de soia
• descompunerea agenÈ›ilor de bronzare, de exemplu ceai, cacao, cafea, tutun
• băuturi alcoolice, de exemplu bere, vin, whisky

Droguri:

• producerea de compuÈ™i medicali, de exemplu insulină, acid hialuronic

Biogaz / etanol :

• îmbunătățirea producÈ›iei de biogaz/bioetanol

Diverse lucrări de cercetare și teste în dimensiunea banc-top și pilot au arătat că ultrasunetele îmbunătățesc procesul de fermentare prin punerea la dispoziție a mai multor biomase pentru fermentația enzimatică. În secțiunea următoare, vor fi elaborate efectele ultrasunetelor într-un lichid.

Efectele procesării lichidelor cu ultrasunete

Prin ultrasunete de mare putere / joasă frecvență pot fi generate amplitudini mari. Astfel, ultrasunetele de mare putere / joasă frecvență pot fi utilizate pentru prelucrarea lichidelor, cum ar fi amestecarea, emulsionarea, dispersarea și dezaglomerarea sau măcinarea.
La sonicarea lichidelor la intensități mari, undele sonore care se propagă în mediul lichid au ca rezultat alternarea ciclurilor de înaltă presiune (compresie) È™i joasă presiune (rarefiere), cu rate în funcÈ›ie de frecvență. ÃŽn timpul ciclului de joasă presiune, undele ultrasonice de înaltă intensitate creează bule mici de vid sau goluri în lichid. Când bulele ating un volum la care nu mai pot absorbi energie, ele se prăbuÈ™esc violent în timpul unui ciclu de înaltă presiune. Acest fenomen se numeÈ™te cavitaÈ›ie. CavitaÅ£ieadică “formarea, creÈ™terea È™i prăbuÈ™irea implozivă a bulelor într-un lichid. Colapsul cavitaÈ›ional produce încălzire locală intensă (~ 5000 K), presiuni ridicate (~ 1000 atm) È™i rate enorme de încălzire È™i răcire (>109 K/sec)” È™i curenÈ›i cu jet de lichid (~ 400 km / h)". (Suslick 1998)

Există diferite mijloace 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 generator de cavitație în lichid. Intensitatea accelerației este unul dintre cei mai importanți factori care influențează transformarea eficientă a energiei în cavitație. Accelerația 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 accelerația este mai mare, cu atât este mai mare fracțiunea de energie care este transformată în cavitație.
În cazul unui traductor ultrasonic, amplitudinea oscilației descrie intensitatea accelerației. Amplitudinile mai mari au ca rezultat o creare mai eficientă a cavitației. În plus față de intensitate, lichidul trebuie accelerat astfel încât să creeze pierderi minime în ceea ce privește turbulențele, frecarea și generarea de valuri. Pentru aceasta, calea optimă este o direcție unilaterală de mișcare. Schimbarea intensității și parametrilor procesului de sonicare, ultrasunetele pot fi foarte dure sau foarte moi. Acest lucru face ca ultrasunetele să fie un instrument foarte versatil pentru diverse aplicații.

Aplicații moi, aplicarea sonicare ușoară în condiții ușoare, includ Degazare, Topireși activarea enzimelor. Aplicațiile dificile cu ultrasunete de mare intensitate / mare putere (mai ales sub presiune ridicată) sunt frezare umedă, dezaglomerare & reducerea dimensiunii particulelor și Dispersarea. Pentru multe aplicații, cum ar fi Extracție, dezintegrare sau Sonochimie, intensitatea ultrasonică solicitată depinde de materialul specific care urmează să fie sonicated. Prin varietatea parametrilor, care pot fi adaptați procesului individual, ultrasunetele permit găsirea locului dulce pentru fiecare proces individual.
Pe lângă o conversie remarcabilă a puterii, ultrasonication oferă marele avantaj al controlului deplin asupra celor mai importanți parametri: amplitudine, presiune, temperatură, vâscozitate și concentrare. Acest lucru oferă posibilitatea de a ajusta toți acești parametri cu scopul de a găsi parametrii ideali de prelucrare pentru fiecare material specific. Acest lucru are ca rezultat o eficacitate mai mare, precum și o eficiență optimizată.

Ultrasunete pentru îmbunătățirea proceselor de fermentație, explicate exemplar cu producția de bioetanol

Bioetanolul este un produs rezultat din descompunerea biomasei sau a materiilor biodegradabile din deșeuri de către bacterii anaerobe sau aerobe. Etanolul produs este utilizat în principal ca biocombustibil. Acest lucru face ca bioetanolul să fie o alternativă regenerabilă și ecologică pentru combustibilii fosili, cum ar fi gazele naturale.
Pentru a produce etanol din biomasă, zahărul, amidonul și materialul lignocelulozic pot fi utilizate ca materie primă. Pentru dimensiunea producției industriale, zahărul și amidonul sunt în prezent predominante, deoarece sunt favorabile din punct de vedere economic.
Modul în care ultrasunetele îmbunătățesc un proces individual al clientului cu materie primă specifică în condiții date pot fi încercate foarte simplu prin teste de fezabilitate. La primul pas, sonicare a unei cantități mici de suspensie materie primă cu un ultrasunete Dispozitiv de laborator va arăta, dacă ultrasunetele afectează materia primă.

Teste de fezabilitate

În prima fază de testare, este adecvat pentru a introduce o cantitate relativ mare de energie cu ultrasunete într-un volum mic de lichid, ca astfel șansa crește pentru a vedea dacă se pot obține rezultate. Un volum mic de eșantion scurtează, de asemenea, timpul de utilizare a unui dispozitiv de laborator și reduce costurile pentru primele teste.
Undele cu ultrasunete sunt transmise de suprafața sonotrodei în lichid. Beneth suprafața sonotrodă, intensitatea ultrasunetelor este cea mai intensă. Astfel, sunt preferate distanțe scurte între sonotrode și materialul sonicat. Atunci când este expus un volum mic de lichid, distanța de la sonotrode poate fi menținută scurtă.
Tabelul de mai jos prezintă nivelurile tipice de energie / volum pentru procesele de sonicare după optimizare. Deoarece primele încercări nu vor fi rulate la configurație optimă, intensitatea sonicare și timpul de 10 până la 50 de ori din valoarea tipică va arăta dacă există vreun efect asupra materialului sonicat sau nu.

Proces	Energie/ volum	Volumul eșantionului	Putere	Oră
simplu	< 100Ws/ml	10ml	50W	< 20 secunde
Medie	100Ws/ml până la 500Ws/ml	10ml	50W	20 până la 100 sec
Tare	> 500Ws/ml	10ml	50W	>100 secunde

Tabelul 1 – Valori tipice sonicare după optimizarea procesului

Puterea de intrare efectivă a încercărilor poate fi înregistrată prin înregistrarea integrată a datelor (UP200Ht și UP200St), interfață PC sau prin powermeter. În combinație cu datele înregistrate privind setarea amplitudinii și temperatura, rezultatele fiecărui studiu pot fi evaluate și se poate stabili o linie de jos pentru energie/volum.
Dacă în timpul testelor a fost aleasă o configurație optimă, această performanță a configurației ar putea fi verificată în timpul unei etape de optimizare și ar putea fi în cele din urmă scalată până la nivel comercial. Pentru a facilita optimizarea, este foarte recomandat să se examineze limitele de sonicare, de exemplu, temperatura, amplitudinea sau energia / volumul pentru formulări specifice, de asemenea. Deoarece ultrasunetele ar putea genera efecte negative asupra celulelor, substanțelor chimice sau particulelor, nivelurile critice pentru fiecare parametru trebuie examinate pentru a limita următoarea optimizare la intervalul de parametri în care efectele negative nu sunt observate. Pentru studiul de fezabilitate se recomandă unități mici de laborator sau banc-top pentru a limita cheltuielile pentru echipamente și probe în astfel de studii. În general, unitățile de 100 până la 1.000 de wați servesc foarte bine scopurilor studiului de fezabilitate. (cf. Hielscher 2005)

optimizare

Rezultatele obÈ›inute în timpul studiilor de fezabilitate pot arăta un consum de energie destul de ridicat în ceea ce priveÈ™te volumul mic tratat. Dar scopul testului de fezabilitate este în primul rând de a arăta efectele ultrasunetelor asupra materialului. Dacă în testele de fezabilitate au apărut efecte pozitive, trebuie depuse eforturi suplimentare pentru optimizarea raportului energie/volum. Aceasta înseamnă explorarea configuraÈ›iei ideale a parametrilor cu ultrasunete pentru a obÈ›ine cel mai mare randament folosind mai puÈ›ină energie posibilă pentru a face procesul cel mai rezonabil È™i eficient din punct de vedere economic. Pentru a găsi configuraÈ›ia optimă a parametrilor – obÈ›inerea beneficiilor dorite cu un aport minim de energie – corelaÈ›ia dintre cei mai importanÈ›i parametri amplitudine, presiune, temperatură È™i lichid compoziÈ›ia trebuie investigată. ÃŽn acest al doilea pas, schimbarea de la sonicare lot la o configurare sonicare continuă cu reactor cu celule de flux este recomandată, deoarece parametrul important al presiunii nu poate fi influenÈ›at pentru sonicare lot. ÃŽn timpul sonicare într-un lot, presiunea este limitată la presiunea ambiantă. ÃŽn cazul în care procesul de sonicare trece printr-o cameră celulară de flux presurizabil, presiunea poate fi ridicată (sau redusă), care, în general, afectează ultrasunetele CavitaÅ£ie drastic. Prin utilizarea unei celule de flux, se poate determina corelaÈ›ia dintre presiune È™i eficienÈ›a procesului. Procesoare cu ultrasunete între 500 waÈ›i È™i 2000 waÈ›i de putere sunt cele mai potrivite pentru a optimiza un proces.

Extinderea la producția comercială

În cazul în care configurația optimă a fost găsită, scalarea în continuare este simplă, deoarece procesele cu ultrasunete sunt complet reproductibil la scară liniară. Aceasta înseamnă că, atunci când ultrasunetele sunt aplicate unei formulări lichide identice în configurație identică a parametrilor de procesare, este necesară aceeași energie pe volum pentru a obține un rezultat identic, independent de scara de procesare. (Hielscher 2005). Acest lucru face posibilă implementarea configurației optime a parametrilor ultrasunetelor la dimensiunea completă a producției. Practic, volumul care poate fi procesat ultrasonically este nelimitat. Sisteme comerciale cu ultrasunete cu până la 16.000 wați pe unitate sunt disponibile și pot fi instalate în clustere. Astfel de grupuri de procesoare cu ultrasunete pot fi instalate paralel sau în serie. Prin instalarea cluster-înțelept a procesoarelor cu ultrasunete de mare putere, puterea totală este aproape nelimitată, astfel încât fluxurile de volum mare pot fi procesate fără probleme. De asemenea, în cazul în care este necesară o adaptare a sistemului cu ultrasunete, de exemplu pentru a ajusta parametrii la o formulare lichidă modificată, acest lucru se poate face mai ales prin schimbarea sonotrode, rapel sau flux de celule. Scalabilitatea liniară, reproductibilitatea și adaptabilitatea ultrasunetelor fac ca această tehnologie inovatoare să fie eficientă și rentabilă.

Parametrii procesării cu ultrasunete

Prelucrarea lichidului cu ultrasunete este descrisă de o serie de parametri. Cele mai importante sunt amplitudinea, presiunea, temperatura, vâscozitatea și concentrația. Rezultatul procesului, cum ar fi dimensiunea particulelor, pentru o configurație dată a parametrilor este o funcție a energiei pe volum prelucrat. Funcția se modifică odată cu modificarea parametrilor individuali. În plus, puterea reală de ieșire pe suprafață a sonotrode de o unitate cu ultrasunete depinde de parametrii. Puterea de ieșire pe suprafață a sonotrode este intensitatea suprafeței (I). Intensitatea suprafeței depinde de amplitudine (A), presiune (p), volumul reactorului (VR), temperatură (T), vâscozitate (η) și altele.

Impactul cavitației generate depinde de intensitatea suprafeței. În același mod, rezultatul procesului se corelează. Puterea totală de ieșire a unei unități cu ultrasunete este produsul intensității suprafeței (I) și a suprafeței (S):

p [w] eu [w / milimetru²]* s[milimetru²]

amplitudine

Amplitudinea oscilației descrie modul în care (de exemplu, 50 μm) suprafața sonotrodei călătorește într-un timp dat (de exemplu, 1/20,000s la 20kHz). Cu cât amplitudinea este mai mare, cu atât este mai mare rata la care presiunea scade și crește la fiecare cursă. În plus, deplasarea volumului fiecărei curse crește, rezultând un volum mai mare de cavitație (dimensiunea și / sau numărul bulelor). Atunci când sunt aplicate dispersiilor, amplitudinile mai mari arată o distructivitate mai mare a particulelor solide. Tabelul 1 prezintă valori generale pentru unele procese cu ultrasunete.

presiune

Punctul de fierbere al unui lichid depinde de presiune. Cu cât presiunea este mai mare, cu atât este mai mare punctul de fierbere și invers. Presiunea ridicată permite cavitația la temperaturi apropiate sau peste punctul de fierbere. De asemenea, crește intensitatea imploziei, care este legată de diferența dintre presiunea statică și presiunea vaporilor din interiorul bulei (cf. Vercet et al. 1999). Deoarece puterea și intensitatea ultrasonică se schimbă rapid odată cu schimbările de presiune, este preferabilă o pompă de presiune constantă. Atunci când furnizează lichid unei celule de curgere, pompa trebuie să poată manipula debitul specific de lichid la presiuni adecvate. Pompe cu membrană sau membrană; pompe cu tub flexibil, furtun sau stoarcere; pompe peristaltice; sau pistonul sau pompa pistonului vor crea fluctuații alternative de presiune. Sunt preferate pompele centrifuge, pompele cu roți dințate, pompele spiralate și pompele cu cavitate progresivă care furnizează lichidul care urmează să fie sonicat la o presiune stabilă continuă. (Hielscher 2005)

temperatură

Prin sonicarea unui lichid, puterea este transmisă în mediu. Deoarece oscilaÈ›ia generată ultrasonically provoacă turbulenÈ›e È™i frecare, lichidul sonicat – în conformitate cu legea termodinamicii – se va încălzi. Temperaturile ridicate ale mediului prelucrat pot fi distructive pentru material È™i pot scădea eficacitatea cavitaÈ›iei cu ultrasunete. Celulele inovatoare cu flux ultrasonic sunt echipate cu o manta de răcire (a se vedea imaginea). Prin aceasta, este dat controlul exact asupra temperaturii materialului în timpul procesării cu ultrasunete. Pentru sonicarea paharului de volume mai mici, se recomandă o baie de gheață pentru disiparea căldurii.

Vâscozitate și concentrație

Ultrasunete Frezare și Dispersarea sunt procese lichide. Particulele trebuie să fie într-o suspensie, de exemplu în apă, ulei, solvenți sau rășini. Prin utilizarea sistemelor de curgere cu ultrasunete, devine posibilă sonicarea materialului foarte vâscos, păstos.
Procesor cu ultrasunete de mare putere poate fi rulat la concentrații destul de ridicate de solide. O concentrație ridicată asigură eficacitatea procesării cu ultrasunete, deoarece efectul de frezare cu ultrasunete este cauzat de coliziunea dintre particule. Investigațiile au arătat că rata de rupere a siliciului este independentă de concentrația solidă de până la 50% din greutate. Prelucrarea loturilor master cu raport de material foarte concentrat este o procedură comună de producție folosind ultrasonication.

Putere și intensitate vs. Energie

Intensitatea suprafeței și puterea totală descriu doar intensitatea procesării. Volumul eșantionului sonicat și timpul de expunere la o anumită intensitate trebuie luate în considerare pentru a descrie un proces de sonicare pentru a-l face scalabil și reproductibil. Pentru o configurație dată a parametrilor, rezultatul procesului, de exemplu dimensiunea particulelor sau conversia chimică, va depinde de energia pe volum (E/V).

Rezultat = F (E /V )

Unde energia (E) este produsul dintre puterea de ieșire (P) și timpul de expunere (t).

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

Modificările în configurația parametrilor vor schimba funcția rezultat. Aceasta, la rândul său, va varia cantitatea de energie (E) necesară pentru o anumită valoare a eșantionului (V) pentru a obține o valoare specifică a rezultatului. Din acest motiv, nu este suficient să folosiți o anumită putere de ultrasunete într-un proces pentru a obține un rezultat. Este necesară o abordare mai sofisticată pentru a identifica puterea necesară și configurația parametrilor la care puterea trebuie introdusă în materialul de proces. (Hielscher 2005)

Producția asistată ultrasonically de bioetanol

Se știe deja că ultrasunetele îmbunătățesc producția de bioetanol. Se recomandă îngroșarea lichidului cu biomasă într-o suspensie foarte vâscoasă, care este încă pompabilă. Reactoare cu ultrasunete pot gestiona concentrații solide destul de mari, astfel încât procesul de sonicare poate fi rulat cel mai eficient. Mai mult material este conținut în suspensie, mai puțin lichid purtător, care nu va profita de procesul de sonicare, va fi tratat. Deoarece intrarea energiei într-un lichid provoacă o încălzire a lichidului prin legea termodinamicii, aceasta înseamnă că energia ultrasonică este aplicată materialului țintă, pe cât posibil. Printr-un astfel de design eficient al procesului, se evită încălzirea risipitoare a excesului de lichid purtător.
Ecografia ajută Extracție a materialului intracelular și îl pune astfel la dispoziție pentru fermentația enzimatică. Tratamentul cu ultrasunete ușoare poate spori activitatea enzimatică, dar pentru extracția biomasei va fi necesară o ultrasunete mai intensă. Prin urmare, enzimele ar trebui să fie adăugate la suspensia de biomasă după sonicare, deoarece ultrasunetele intense inactivează enzimele, ceea ce nu este un efect dorit.

Rezultate actuale obținute prin cercetarea științifică:

Studiile lui Yoswathana et al. (2010) privind producția de bioetanol din paie de orez au arătat că combinația de pre-tratare acidă și ultrasunete înainte de tratamentul enzimatic duce la un randament crescut de zahăr de până la 44% (pe bază de paie de orez). Acest lucru arată eficacitatea combinației de pretratare fizică și chimică înainte de hidroliza enzimatică a materialului lignocelulozic în zahăr.

Graficul 2 ilustrează efectele pozitive ale iradierii cu ultrasunete în timpul producției de bioetanol din paie de orez grafic. (Cărbunele a fost folosit pentru detoxifierea probelor pretratate din pretratarea acidă / enzimatică și pretratarea cu ultrasunete.)

Într-un alt studiu recent, influența ultrasonication asupra nivelurilor extracelulare și intracelulare ale enzimei β-galactozidază a fost examinată. Sulaiman et al. (2011) ar putea îmbunătăți substanțial productivitatea producției de bioetanol, folosind ultrasunete la o temperatură controlată stimulând creșterea drojdiei de Kluyveromyces marxianus (ATCC 46537). Autorii lucrării reia faptul că sonicare intermitentă cu ultrasunete de putere (20 kHz) la cicluri de serviciu de ≤20% a stimulat producția de biomasă, metabolismul lactozei și producția de etanol în K. marxianus la o intensitate relativ ridicată sonicare de 11,8Wcm^−2. În cele mai bune condiții, sonicare a îmbunătățit concentrația finală de etanol cu aproape 3,5 ori față de control. Acest lucru a corespuns cu o îmbunătățire de 3,5 ori a productivității etanolului, dar a necesitat 952W de intrare suplimentară de putere pe metru cub de bulion prin sonicare. Această cerință suplimentară de energie se încadra cu siguranță în normele operaționale acceptabile pentru bioreactoare și, pentru produsele cu valoare ridicată, putea fi ușor compensată prin creșterea productivității.

Concluzie: Beneficiile fermentației ultrasonically asistate

Tratamentul cu ultrasunete a fost demonstrat ca o tehnică eficientă și inovatoare pentru a spori randamentul bioetanolului. În primul rând, ultrasunetele sunt utilizate pentru a extrage materialul intracelular din biomasă, cum ar fi porumbul, soia, paiele, materialul ligno-celulozic sau deșeurile vegetale.

• CreÈ™terea producÈ›iei de bioetanol
• Dezinterizarea/ distrugerea celulelor È™i eliberarea materialului intracelular
• Descompunere anaerobă îmbunătățită
• Activarea enzimelor prin sonicare uÈ™oară
• ÃŽmbunătățirea eficienÈ›ei procesului prin dejecÈ›ii lichide cu concentraÈ›ie ridicată

Testarea simplă, scalarea reproductibilă și instalarea ușoară (și în fluxurile de producție deja existente) face ca ultrasunetele să fie o tehnologie profitabilă și eficientă. Procesoare industriale cu ultrasunete fiabile pentru prelucrare comercială sunt disponibile și fac posibilă sonicarea volumelor lichide practic nelimitate.