Ферментация с ультразвуковой поддержкой для производства биоэтанола

Ферментация с ультразвуковой поддержкой может улучшить производство биоэтанола, способствуя расщеплению сложных углеводов до более простых сахаров и делая их более доступными для превращения в этанол дрожжами. Одновременно обработка ультразвуком также улучшает проницаемость клеточных стенок дрожжей, обеспечивая более быстрое высвобождение этанола и увеличение общего объёма производства. Таким образом, ферментация биоэтанола с ультразвуковой поддержкой обеспечивает более высокую степень конверсии и повышенный выход.

Ферментация

Ферментация может быть аэробным (= окислительная ферментация) или анаэробным процессом, который используется в биотехнологии для преобразования органического материала культурами бактериальных, грибковых или других биологических клеток либо ферментами. При ферментации энергия извлекается за счёт окисления органических соединений, например углеводов.
Сахар является наиболее распространённым субстратом ферментации, в результате которой образуются такие продукты, как молочная кислота, лактоза, этанол и водород. При спиртовом брожении этанол – прежде всего для использования в качестве топлива, но также для алкогольных напитков – получают путём ферментации. Когда определённые штаммы дрожжей, такие как Saccharomyces cerevisiae , метаболизируют сахар, дрожжевые клетки превращают исходный материал в этанол и углекислый газ.

Приведённые ниже химические уравнения кратко описывают это превращение:

Если исходным материалом является крахмал, например из кукурузы, его сначала необходимо превратить в сахар. Для получения биоэтанола, используемого в качестве топлива, требуется гидролиз для преобразования крахмала. Обычно гидролиз ускоряют кислотной или ферментативной обработкой либо их сочетанием. Как правило, ферментацию проводят при температуре около 35–40 °C.
Обзор различных процессов ферментации:

Пищевые продукты:

• производство & консервирование
• молочные продукты (молочнокислое брожение), например йогурт, пахта, кефир
• овощи молочнокислого брожения, например кимчи, мисо, натто, цукэмоно, квашеная капуста
• образование ароматических веществ, например в соевом соусе
• разложение дубильных веществ, например в чае, какао, кофе, табаке
• алкогольные напитки, например пиво, вино, виски

Лекарственные средства:

• производство соединений медицинского назначения, например инсулина, гиалуроновой кислоты

Биогаз/ этанол:

• улучшение производства биогаза/ биоэтанола

Различные научные работы и испытания на настольных и пилотных установках показали, что ультразвук улучшает процесс ферментации, делая больше биомассы доступной для ферментативного брожения. В следующем разделе подробно рассматривается воздействие ультразвука в жидкости.

Эффекты ультразвуковой обработки жидкостей

Ультразвук высокой мощности/ низкой частоты позволяет создавать высокие амплитуды. Поэтому ультразвук высокой мощности/ низкой частоты можно использовать для обработки жидкостей, включая смешивание, эмульгирование, диспергирование и деагломерацию или измельчение.
При обработке жидкостей ультразвуком высокой интенсивности звуковые волны, распространяющиеся в жидкой среде, создают чередующиеся циклы высокого давления (сжатия) и низкого давления (разрежения), скорость чередования которых зависит от частоты. Во время цикла низкого давления ультразвуковые волны высокой интенсивности создают в жидкости небольшие вакуумные пузырьки или полости. Когда пузырьки достигают объёма, при котором больше не могут поглощать энергию, они резко схлопываются во время цикла высокого давления. Это явление называется кавитацией. Кавитация, то есть «образование, рост и имплозивное схлопывание пузырьков в жидкости. Кавитационное схлопывание вызывает интенсивный локальный нагрев (~5000 K), высокое давление (~1000 atm) и огромные скорости нагрева и охлаждения (>109 K/sec)» и струйные потоки жидкости (~400 km/h)». (Suslick 1998)

Существуют различные способы создания кавитации, например с помощью форсунок высокого давления, роторно-статорных смесителей или ультразвуковых процессоров. Во всех этих системах подводимая энергия преобразуется в трение, турбулентность, волны и кавитацию. Доля подводимой энергии, преобразуемой в кавитацию, зависит от нескольких факторов, описывающих движение оборудования, создающего кавитацию, в жидкости. Величина ускорения является одним из важнейших факторов, влияющих на эффективность преобразования энергии в кавитацию. Более высокое ускорение создаёт более значительные перепады давления. Это, в свою очередь, повышает вероятность образования вакуумных пузырьков вместо возникновения волн, распространяющихся в жидкости. Таким образом, чем выше ускорение, тем больше доля энергии, преобразуемой в кавитацию.
В случае ультразвукового преобразователя амплитуда колебаний характеризует величину ускорения. Более высокие амплитуды обеспечивают более эффективное создание кавитации. Помимо величины ускорения, жидкость следует ускорять таким образом, чтобы минимизировать потери на турбулентность, трение и образование волн. Для этого оптимально движение в одном направлении. Изменяя интенсивность и параметры процесса обработки ультразвуком, можно сделать ультразвуковое воздействие очень жёстким или очень мягким. Это делает ультразвук весьма универсальным инструментом для различных применений.

К мягким видам обработки, при которых применяется щадящая обработка ультразвуком в мягких условиях, относятся дегазация, эмульгирование и активация ферментов. К жёстким видам обработки ультразвуком высокой интенсивности/ высокой мощности (преимущественно при повышенном давлении) относятся мокрое измельчение, деагломерация и уменьшение размера частиц, а также диспергирование. Для многих применений, таких как экстракция, дезинтеграция или сонохимия, требуемая интенсивность ультразвука зависит от конкретного обрабатываемого материала. Благодаря разнообразию параметров, которые можно адаптировать к отдельному процессу, ультразвук позволяет найти оптимальный режим для каждого конкретного процесса.
Помимо превосходного преобразования мощности, обработка ультразвуком обладает существенным преимуществом: полным контролем важнейших параметров – амплитуды, давления, температуры, вязкости и концентрации. Это позволяет регулировать все эти параметры, чтобы подобрать идеальные условия обработки для каждого конкретного материала. В результате повышается результативность и оптимизируется эффективность.

Ультразвук для улучшения процессов ферментации на примере производства биоэтанола

Биоэтанол является продуктом разложения биомассы или биоразлагаемых компонентов отходов анаэробными или аэробными бактериями. Полученный этанол используется главным образом в качестве биотоплива. Это делает биоэтанол возобновляемой и экологически безопасной альтернативой ископаемому топливу, например природному газу.
Для производства этанола из биомассы в качестве сырья могут использоваться сахар, крахмал и лигноцеллюлозный материал. В промышленном производстве в настоящее время преобладают сахар и крахмал, поскольку они экономически выгодны.
То, как ультразвук улучшает индивидуальный процесс заказчика с конкретным сырьём в заданных условиях, можно очень просто проверить с помощью испытаний на технологическую осуществимость. На первом этапе обработка небольшого количества сырьевой суспензии ультразвуковым лабораторным прибором покажет, влияет ли ультразвук на сырьё.

Испытания на технологическую осуществимость

На первом этапе испытаний целесообразно вводить относительно большое количество ультразвуковой энергии в небольшой объём жидкости, поскольку это повышает вероятность установить, можно ли получить какие-либо результаты. Небольшой объём образца также сокращает время использования лабораторного прибора и снижает затраты на первые испытания.
Ультразвуковые волны передаются в жидкость через поверхность сонотрода. Непосредственно под поверхностью сонотрода интенсивность ультразвука наиболее высока. Поэтому предпочтительны небольшие расстояния между сонотродом и обрабатываемым ультразвуком материалом. При обработке небольшого объёма жидкости расстояние от сонотрода можно поддерживать небольшим.
В таблице ниже приведены типичные значения отношения энергии к объёму для процессов обработки ультразвуком после оптимизации. Поскольку первые испытания не будут проводиться при оптимальной конфигурации, интенсивность и время обработки ультразвуком в 10–50 раз больше типичного значения покажут, есть ли какое-либо воздействие на обрабатываемый материал.

Процесс	Энергия/ Объём	Объём образца	Мощность	Время
Простой	< 100Ws/mL	10mL	50W	< 20 sec
Средний	100Ws/mL – 500Ws/mL	10mL	50W	20–100 sec
Жёсткий	> 500Ws/mL	10mL	50W	>100 sec

Таблица 1 – Типичные значения параметров обработки ультразвуком после оптимизации процесса

Фактическую подводимую мощность при испытаниях можно регистрировать с помощью встроенной системы записи данных (UP200Ht и UP200St), интерфейса ПК или измерителя мощности. В сочетании с зарегистрированными данными о настройке амплитуды и температуре это позволяет оценить результаты каждого испытания и установить итоговое значение отношения энергии к объёму.
Если в ходе испытаний выбрана оптимальная конфигурация, её рабочие характеристики можно проверить на этапе оптимизации, а затем масштабировать процесс до промышленного уровня. Для облегчения оптимизации настоятельно рекомендуется также исследовать предельные параметры обработки ультразвуком, например температуру, амплитуду или отношение энергии к объёму для конкретных составов. Поскольку ультразвук может оказывать негативное воздействие на клетки, химические вещества или частицы, необходимо исследовать критические значения каждого параметра, чтобы ограничить последующую оптимизацию диапазоном параметров, в котором негативные эффекты не наблюдаются. Для исследования технологической осуществимости рекомендуются небольшие лабораторные или настольные установки, позволяющие ограничить затраты на оборудование и образцы при таких испытаниях. Как правило, установки мощностью от 100 до 1 000 Watts очень хорошо подходят для исследования технологической осуществимости. (см. Hielscher 2005)

Оптимизация

Результаты, полученные при исследовании технологической осуществимости, могут показывать довольно высокое энергопотребление относительно небольшого обрабатываемого объёма. Однако основная цель испытаний на технологическую осуществимость – продемонстрировать воздействие ультразвука на материал. Если при таких испытаниях наблюдались положительные эффекты, необходимо продолжить работу по оптимизации отношения энергии к объёму. Это означает поиск идеальной конфигурации ультразвуковых параметров для достижения наивысшего выхода при минимально возможном расходе энергии, чтобы сделать процесс наиболее экономически обоснованным и эффективным. Чтобы найти оптимальную конфигурацию параметров – получить желаемые преимущества при минимальном подводе энергии – необходимо исследовать взаимосвязь между важнейшими параметрами: амплитудой, давлением, температурой и составом жидкости . На этом втором этапе рекомендуется перейти от обработки ультразвуком в периодическом режиме к установке непрерывной обработки ультразвуком с реактором на основе проточной ячейки, поскольку при периодической обработке нельзя изменять такой важный параметр, как давление. При обработке ультразвуком в периодическом режиме давление ограничено давлением окружающей среды. Если обработка ультразвуком происходит в камере проточной ячейки, допускающей регулирование давления, давление можно повысить (или понизить), что в целом резко влияет на ультразвуковую кавитацию . Используя проточную ячейку, можно определить взаимосвязь между давлением и эффективностью процесса. Ультразвуковые процессоры мощностью от 500 watts до 2000 watts наиболее подходят для оптимизации процесса.

Масштабирование до промышленного производства

Если оптимальная конфигурация найдена, дальнейшее масштабирование несложно, поскольку ультразвуковые процессы полностью воспроизводимы при линейном масштабировании. Это означает, что при воздействии ультразвука на жидкость идентичного состава при идентичной конфигурации параметров обработки для получения идентичного результата требуется одинаковая энергия на единицу объёма независимо от масштаба обработки. (Hielscher 2005). Это позволяет применять оптимальную конфигурацию ультразвуковых параметров в полномасштабном производстве. Объём, который можно обработать ультразвуком, практически неограничен. Доступны промышленные ультразвуковые системы мощностью до 16 000 watts на установку, которые можно объединять в кластеры. Такие кластеры ультразвуковых процессоров можно устанавливать параллельно или последовательно. При кластерной установке ультразвуковых процессоров высокой мощности суммарная мощность почти неограничена, что позволяет без проблем обрабатывать потоки большого объёма. Если требуется адаптация ультразвуковой системы, например для настройки параметров под изменённый состав жидкости, в большинстве случаев это можно сделать путём замены сонотрода, бустера или проточной ячейки. Линейное масштабирование, воспроизводимость и адаптируемость ультразвука делают эту инновационную технологию эффективной и экономичной.

Параметры ультразвуковой обработки

Ультразвуковая обработка жидкостей описывается рядом параметров. Наиболее важны амплитуда, давление, температура, вязкость и концентрация. Результат процесса, например размер частиц, при заданной конфигурации параметров является функцией энергии на единицу обрабатываемого объёма. Эта функция меняется при изменении отдельных параметров. Кроме того, фактическая выходная мощность на единицу площади поверхности сонотрода ультразвуковой установки зависит от параметров. Выходная мощность на единицу площади поверхности сонотрода называется поверхностной интенсивностью (I). Поверхностная интенсивность зависит от амплитуды (A), давления (p), объёма реактора (VR), температуры (T), вязкости (η) и других параметров.

Воздействие создаваемой кавитации зависит от поверхностной интенсивности. Аналогичным образом с ней связан результат процесса. Общая выходная мощность ультразвуковой установки равна произведению поверхностной интенсивности (I) и площади поверхности (S):

P [W] I [W / mm²]* S[mm²]

Амплитуда

Амплитуда колебаний описывает путь (например 50 µm), который поверхность сонотрода проходит за заданное время (например 1/20 000s при 20kHz). Чем больше амплитуда, тем выше скорость снижения и повышения давления при каждом ходе. Кроме того, объёмное вытеснение при каждом ходе увеличивается, что приводит к увеличению объёма кавитации (размера и/или количества пузырьков). При обработке дисперсий более высокие амплитуды оказывают более сильное разрушительное воздействие на твёрдые частицы. В таблице 1 приведены общие значения для некоторых ультразвуковых процессов.

Давление

Температура кипения жидкости зависит от давления. Чем выше давление, тем выше температура кипения, и наоборот. Повышенное давление позволяет создавать кавитацию при температурах, близких к температуре кипения или превышающих её. Оно также увеличивает интенсивность имплозии, которая связана с разностью между статическим давлением и давлением пара внутри пузырька (см. Vercet et al. 1999). Поскольку мощность и интенсивность ультразвука быстро меняются при изменении давления, предпочтителен насос постоянного давления. При подаче жидкости в проточную ячейку насос должен обеспечивать требуемый расход жидкости при подходящем давлении. Диафрагменные или мембранные насосы; насосы с гибкой трубкой, шланговые или пережимные насосы; перистальтические насосы; поршневые или плунжерные насосы создают переменные колебания давления. Предпочтительны центробежные насосы, шестерёнчатые насосы, спиральные насосы и эксцентриковые винтовые насосы, которые подают обрабатываемую ультразвуком жидкость при постоянно стабильном давлении. (Hielscher 2005)

Температура

При обработке жидкости ультразвуком в среду передаётся мощность. Поскольку создаваемые ультразвуком колебания вызывают турбулентность и трение, обрабатываемая жидкость – в соответствии с законом термодинамики – нагревается. Повышенная температура обрабатываемой среды может разрушительно воздействовать на материал и снижать эффективность ультразвуковой кавитации. Инновационные ультразвуковые проточные ячейки оснащены охлаждающей рубашкой (см. рисунок). Это обеспечивает точный контроль температуры материала во время ультразвуковой обработки. Для отвода тепла при обработке небольших объёмов ультразвуком в лабораторном стакане рекомендуется ледяная баня.

Вязкость и концентрация

Ультразвуковые измельчение и диспергирование являются процессами, протекающими в жидкости. Частицы должны находиться в суспензии, например в воде, масле, растворителях или смолах. Использование ультразвуковых проточных систем позволяет обрабатывать ультразвуком очень вязкий, пастообразный материал.
Ультразвуковой процессор высокой мощности может работать при довольно высоких концентрациях твёрдых веществ. Высокая концентрация обеспечивает эффективность ультразвуковой обработки, поскольку эффект ультразвукового измельчения обусловлен столкновениями между частицами. Исследования показали, что скорость разрушения диоксида кремния не зависит от концентрации твёрдой фазы вплоть до 50% по массе. Обработка маточных смесей с высокой долей материала является распространённой производственной процедурой с применением ультразвука.

Мощность и интенсивность в сравнении с энергией

Поверхностная интенсивность и общая мощность описывают только интенсивность обработки. Чтобы описать процесс обработки ультразвуком и обеспечить его масштабируемость и воспроизводимость, необходимо учитывать объём обрабатываемого образца и время воздействия при определённой интенсивности. При заданной конфигурации параметров результат процесса, например размер частиц или химическая конверсия, будет зависеть от энергии на единицу объёма (E/V).

Результат = f (E /V )

Здесь энергия (E) равна произведению выходной мощности (P) и времени воздействия (t).

E[Ws] = P[W]*t[s]

Изменения конфигурации параметров изменяют функцию результата. Это, в свою очередь, изменяет количество энергии (E), необходимое для заданного объёма образца (V), чтобы получить определённое значение результата. Поэтому для получения результата недостаточно просто применять в процессе ультразвук определённой мощности. Требуется более детальный подход, чтобы определить необходимую мощность и конфигурацию параметров, при которой эту мощность следует передавать обрабатываемому материалу. (Hielscher 2005)

Производство биоэтанола с ультразвуковой поддержкой

Уже известно, что ультразвук улучшает производство биоэтанола. Рекомендуется загущать жидкость биомассой до высоковязкой суспензии, которая всё ещё пригодна для перекачивания насосом. Ультразвуковые реакторы могут работать при довольно высоких концентрациях твёрдых веществ, что позволяет проводить обработку ультразвуком наиболее эффективно. Чем больше материала содержится в суспензии, тем меньше обрабатывается жидкости-носителя, которая не получает пользы от обработки ультразвуком. Поскольку ввод энергии в жидкость вызывает её нагрев в соответствии с законом термодинамики, это означает, что ультразвуковая энергия по возможности передаётся целевому материалу. Такая эффективная организация процесса позволяет избежать бесполезного нагрева избыточной жидкости-носителя.
Ультразвук способствует экстракции внутриклеточного материала и тем самым делает его доступным для ферментативного брожения. Мягкая обработка ультразвуком может повышать активность ферментов, однако для экстракции биомассы потребуется более интенсивный ультразвук. Поэтому ферменты следует добавлять в суспензию биомассы после обработки ультразвуком, поскольку интенсивный ультразвук инактивирует ферменты, что является нежелательным эффектом.

Текущие результаты научных исследований:

Исследования Yoswathana et al. (2010), посвящённые производству биоэтанола из рисовой соломы, показали, что сочетание предварительной кислотной и ультразвуковой обработки перед ферментативной обработкой приводит к повышенному выходу сахара до 44% (в расчёте на рисовую солому). Это демонстрирует эффективность сочетания физической и химической предварительной обработки перед ферментативным гидролизом лигноцеллюлозного материала до сахара. 

Диаграмма 2 графически иллюстрирует положительные эффекты ультразвукового облучения при производстве биоэтанола из рисовой соломы. (Для детоксикации образцов после предварительной кислотной/ ферментативной и ультразвуковой обработки использовался древесный уголь.)

В другом недавнем исследовании изучалось влияние обработки ультразвуком на внеклеточные и внутриклеточные уровни фермента β-галактозидазы. Sulaiman et al. (2011) смогли существенно повысить производительность производства биоэтанола, используя ультразвук при контролируемой температуре для стимуляции роста дрожжей Kluyveromyces marxianus (ATCC 46537). Авторы статьи заключают, что прерывистая обработка мощным ультразвуком (20 kHz) при коэффициенте рабочего цикла ≤20% стимулировала образование биомассы, метаболизм лактозы и производство этанола у K. marxianus при относительно высокой интенсивности обработки ультразвуком 11,8Wcm². В наилучших условиях обработка ультразвуком повысила конечную концентрацию этанола почти в 3,5 раза по сравнению с контролем. Это соответствовало повышению производительности получения этанола в 3,5 раза, но требовало дополнительного подвода мощности 952W на кубический метр культуральной жидкости посредством обработки ультразвуком. Эта дополнительная потребность в энергии определённо находилась в пределах приемлемых эксплуатационных норм для биореакторов и для продуктов высокой стоимости могла легко компенсироваться повышенной производительностью.

Заключение: преимущества ферментации с ультразвуковой поддержкой

Обработка ультразвуком показала себя как эффективный и инновационный метод повышения выхода биоэтанола. Прежде всего ультразвук используется для извлечения внутриклеточного материала из биомассы, например кукурузы, соевых бобов, соломы, лигноцеллюлозного материала или растительных отходов.

• Повышение выхода биоэтанола
• Дезинтеграция/ разрушение клеток и высвобождение внутриклеточного материала
• Улучшение анаэробного разложения
• Активация ферментов при мягкой обработке ультразвуком
• Повышение эффективности процесса благодаря высококонцентрированным суспензиям

Простые испытания, воспроизводимое масштабирование и лёгкая установка (в том числе в уже существующих производственных потоках) делают ультразвук рентабельной и эффективной технологией. Доступны надёжные промышленные ультразвуковые процессоры для коммерческой обработки, позволяющие обрабатывать ультразвуком практически неограниченные объёмы жидкости.