Ультразвуковая ферментация для производства биоэтанола

Ферментация с помощью ультразвука может увеличить производство биоэтанола, способствуя расщеплению сложных углеводов на более простые сахара, делая их более доступными для дрожжей для преобразования в этанол. В то же время ультразвуковая обработка также повышает эффективность проницаемости клеточной стенки дрожжей, что позволяет быстрее высвобождать этанол и увеличивать общую производительность. Таким образом, ферментация биоэтанола с помощью ультразвука приводит к более высокой скорости преобразования и увеличению выхода.

брожение

Ферментация может быть аэробным (= окислительная ферментация) или анаэробным процессом, который используется в биотехнологических целях для преобразования органического материала в бактериальные, грибковые или другие биологические клеточные культуры или с помощью ферментов. При ферментации энергия извлекается из окисления органических соединений, например, углеводов.
Сахар является наиболее распространенным субстратом брожения, образующимся после брожения в таких продуктах, как молочная кислота, лактоза, этанол и водород. Для алкогольного брожения, этанола – особенно для использования в качестве топлива, а также для алкогольных напитков – производится путем брожения. Когда определенные штаммы дрожжей, такие как Saccharomyces cerevisiae Метаболизируя сахар, дрожжевые клетки превращают исходное вещество в этанол и углекислый газ.

Приведенные ниже химические уравнения обобщают преобразование:

Если исходным материалом является крахмал, например, из кукурузы, то сначала крахмал должен быть преобразован в сахар. Для биоэтанола, используемого в качестве топлива, требуется гидролиз для преобразования крахмала. Как правило, гидролиз ускоряется за счет кислотной или ферментативной обработки или их комбинации. В норме ферментация проводится при температуре около 35–40 °C.
Обзор различных процессов брожения:

Пища:

• производство & сохранение
• молочные продукты (молочнокислое брожение), например, йогурт, пахта, кефир
• молочные ферментированные овощи, например, кимчи, мисо, натто, цукемоно, квашеная капуста
• Разработка ароматических веществ, например, соевого соуса
• разложение дубильных веществ, например, чая, какао, кофе, табака
• алкогольные напитки, например, пиво, вино, виски

Наркотики:

• производство медицинских соединений, например, инсулина, гиалуроновой кислоты

Биогаз / Этанол :

• Улучшение производства биогаза/биоэтанола

Различные исследовательские работы и испытания в настольных и пилотных размерах показали, что ультразвук улучшает процесс ферментации, делая больше биомассы доступной для ферментативной ферментации. В следующем разделе будет подробно рассмотрено воздействие ультразвука в жидкости.

Эффекты ультразвуковой обработки жидкостей

С помощью высокомощного/низкочастотного ультразвука можно получить высокую амплитуду. Таким образом, высокомощный/низкочастотный ультразвук может использоваться для обработки жидкостей, таких как смешивание, эмульгирование, диспергирование и деагломерация или измельчение.
При ультразвуковой обработке жидкостей с высокой интенсивностью звуковые волны, распространяющиеся в жидких средах, приводят к чередованию циклов высокого давления (сжатие) и низкого давления (разрежение), скорость которых зависит от частоты. Во время цикла низкого давления ультразвуковые волны высокой интенсивности создают небольшие вакуумные пузырьки или пустоты в жидкости. Когда пузырьки достигают объема, при котором они больше не могут поглощать энергию, они сильно схлопываются во время цикла высокого давления. Это явление называется кавитацией. кавитацияТо есть “Образование, рост и имплозивное схлопывание пузырьков в жидкости. Кавитационный коллапс приводит к интенсивному локальному нагреву (~5000 К), высокому давлению (~1000 атм) и огромным скоростям нагрева и охлаждения (>109 К/сек)” и жидкие струйные течения (~400 км/ч)». (Суслик, 1998)

Существуют различные способы создания кавитации, такие как форсунки высокого давления, роторно-статорные смесители или ультразвуковые процессоры. Во всех этих системах входная энергия преобразуется в трение, турбулентность, волны и кавитацию. Доля входной энергии, которая преобразуется в кавитацию, зависит от нескольких факторов, описывающих движение кавитационного генерирующего оборудования в жидкости. Интенсивность ускорения является одним из важнейших факторов, влияющих на эффективное преобразование энергии в кавитацию. Более высокое ускорение создает большую разницу давлений. Это, в свою очередь, увеличивает вероятность создания вакуумных пузырей вместо создания волн, распространяющихся по жидкости. Таким образом, чем выше ускорение, тем выше доля энергии, которая преобразуется в кавитацию.
В случае ультразвукового преобразователя амплитуда колебаний описывает интенсивность ускорения. Более высокие амплитуды приводят к более эффективному созданию кавитации. Помимо интенсивности, жидкость должна быть ускорена таким образом, чтобы создать минимальные потери с точки зрения турбулентности, трения и генерации волн. Для этого оптимальным способом является одностороннее направление движения. Изменяя интенсивность и параметры процесса ультразвуковой обработки, ультразвук может быть очень жестким или очень мягким. Это делает ультразвук очень универсальным инструментом для различных применений.

Мягкие аппликации, применяющие мягкую ультразвук в мягких условиях, включают Дегазация, Эмульгирующиеи активации фермента. Жесткие приложения с ультразвуком высокой интенсивности/высокой мощности (в основном при повышенном давлении) мокрый помол, деагломерация & уменьшение размера частиц, и Диспергирующий. Для многих приложений, таких как Извлечение, распад или Сонохимия, требуемая интенсивность ультразвука зависит от конкретного материала, подлежащего ультразвуковой обработке. Благодаря разнообразию параметров, которые могут быть адаптированы к индивидуальному процессу, ультразвук позволяет найти золотую середину для каждого отдельного процесса.
Помимо превосходного преобразования энергии, ультразвуковое исследование дает большое преимущество в виде полного контроля над наиболее важными параметрами: амплитудой, давлением, температурой, вязкостью и концентрацией. Это дает возможность регулировать все эти параметры с целью поиска идеальных параметров обработки для каждого конкретного материала. Это приводит к повышению эффективности, а также к оптимизации эффективности.

Ультразвук для улучшения процессов ферментации, пример которого описан на примере производства биоэтанола

Биоэтанол является продуктом разложения биомассы или биоразлагаемого вещества отходов анаэробными или аэробными бактериями. Производимый этанол в основном используется в качестве биотоплива. Это делает биоэтанол возобновляемой и экологически чистой альтернативой ископаемому топливу, такому как природный газ.
Для производства этанола из биомассы в качестве сырья могут использоваться сахар, крахмал и лигноцеллюлозный материал. Для промышленного производства в настоящее время преобладают сахар и крахмал, так как они экономически выгодны.
То, как ультразвук улучшает индивидуальный процесс работы с конкретным сырьем в заданных условиях, можно очень просто проверить с помощью технико-экономических испытаний. На первом этапе происходит обнажение небольшого количества сырья суспензией с помощью ультразвука лабораторный прибор покажет, влияет ли ультразвук на исходное сырье.

Технико-экономическое обоснование

На первом этапе тестирования целесообразно вводить относительно большое количество ультразвуковой энергии в небольшой объем жидкости, так как тем самым увеличивается вероятность того, можно ли получить какие-либо результаты. Небольшой объем образца также сокращает время использования лабораторного устройства и снижает затраты на проведение первых тестов.
Ультразвуковые волны передаются поверхностью сонотрода в жидкость. Под поверхностью сонотрода интенсивность ультразвука наиболее интенсивна. Таким образом, предпочтение отдается коротким расстояниям между сонотродом и ультразвуковым материалом. Когда обнажается небольшой объем жидкости, расстояние от сонотрода может быть коротким.
В таблице ниже приведены типичные уровни энергии/объема для процессов обработки ультразвуком после оптимизации. Поскольку первые испытания не будут проводиться с оптимальной конфигурацией, интенсивность и время ультразвуковой обработки в 10-50 раз от типичного значения покажут, есть ли какое-либо влияние на обрабатываемый ультразвуком материал или нет.

Процесс	Энергия/ том	Объем образца	Сила	Время
простой	< 100 Вт/мл	10 мл	50 Вт	< 20 сек
Терпимая	От 100 Вт/мл до 500 Вт/мл	10 мл	50 Вт	От 20 до 100 сек
Трудный	> 500 Вт/мл	10 мл	50 Вт	>100 сек

Таблица 1 – Типичные значения ультразвуковой обработки после оптимизации процесса

Фактическая потребляемая мощность испытательных прогонов может быть зарегистрирована с помощью встроенной записи данных (УП200Хт и UP200St), PC-интерфейс или по измерителю мощности. В сочетании с записанными данными настройки амплитуды и температуры можно оценить результаты каждого испытания и установить итоговый показатель энергии/объема.
Если в ходе испытаний была выбрана оптимальная конфигурация, то производительность этой конфигурации может быть проверена на этапе оптимизации и в конечном итоге масштабирована до коммерческого уровня. Чтобы облегчить оптимизацию, настоятельно рекомендуется изучить пределы ультразвуковой обработки, например, температуру, амплитуду или энергию/объем для конкретных составов. Поскольку ультразвук может оказывать негативное воздействие на клетки, химические вещества или частицы, необходимо изучить критические уровни для каждого параметра, чтобы ограничить последующую оптимизацию диапазоном параметров, в котором негативные эффекты не наблюдаются. Для технико-экономического обоснования рекомендуется использовать небольшие лабораторные или настольные установки, чтобы ограничить затраты на оборудование и образцы в таких испытаниях. Как правило, устройства мощностью от 100 до 1000 Вт очень хорошо подходят для целей технико-экономического обоснования. (ср. Hielscher 2005)

оптимизация

Результаты, полученные в ходе технико-экономического обоснования, могут свидетельствовать о довольно высоком потреблении энергии по сравнению с небольшим объемом обработки. Но цель теста на осуществимость в первую очередь состоит в том, чтобы показать воздействие ультразвука на материал. Если в технико-экономических испытаниях были обнаружены положительные эффекты, необходимо предпринять дальнейшие усилия для оптимизации соотношения энергии/объема. Это означает, что необходимо исследовать идеальную конфигурацию ультразвуковых параметров для достижения максимальной производительности с использованием минимально возможного количества энергии, чтобы сделать процесс экономически наиболее целесообразным и эффективным. Чтобы найти оптимальную конфигурацию параметров – получение желаемых выгод при минимальных энергозатратах – соотношение между наиболее важными параметрами амплитуда, давление, температура и жидкость Состав должен быть исследован. На этом втором этапе рекомендуется переход от периодической ультразвуковой обработки к установке непрерывной ультразвуковой обработки с реактором с проточной ячейкой, поскольку при периодической обработке ультразвуком важный параметр давления не может быть изменен. Во время ультразвуковой обработки в периоде давление ограничивается давлением окружающей среды. Если процесс ультразвуковой обработки проходит через камеру проточной ячейки под давлением, давление может быть повышено (или уменьшено), что в целом влияет на ультразвуковое излучение. кавитация решительно. С помощью проточной ячейки можно определить корреляцию между давлением и эффективностью процесса. Ультразвуковые процессоры между 500 Вт и 2000 Вт мощности, наиболее подходящие для оптимизации технологического процесса.

Масштабирование до коммерческого производства

Если оптимальная конфигурация найдена, дальнейшее масштабирование является простым, так как ультразвуковые процессы Полностью воспроизводимый в линейном масштабе. Это означает, что при воздействии ультразвука на идентичную жидкую формулу с идентичной конфигурацией параметров обработки для получения идентичного результата независимо от масштаба обработки требуется одинаковая энергия на объем. (Хильшер 2005). Что дает возможность реализовать оптимальную конфигурацию параметров ультразвука до полномасштабного размера производства. Практически объем, который может быть обработан ультразвуком, не ограничен. Коммерческие ультразвуковые системы с точностью до 16 000 Вт на единицу доступны и могут быть установлены в кластерах. Такие кластеры ультразвуковых процессоров могут быть установлены параллельно или последовательно. Благодаря кластерной установке мощных ультразвуковых процессоров общая мощность практически не ограничена, что позволяет без проблем обрабатывать потоки большого объема. Кроме того, если требуется адаптация ультразвуковой системы, например, для корректировки параметров в соответствии с модифицированной жидкой формулой, это в основном может быть сделано путем замены сонотрода, бустера или проточной ячейки. Линейная масштабируемость, воспроизводимость и адаптируемость ультразвука делают эту инновационную технологию эффективной и экономичной.

Параметры ультразвуковой обработки

Ультразвуковая обработка жидкости описывается рядом параметров. Наиболее важными являются амплитуда, давление, температура, вязкость и концентрация. Результат процесса, такой как размер частиц, для заданной конфигурации параметров является функцией энергии на обрабатываемый объем. Функция изменяется при изменении отдельных параметров. Кроме того, фактическая выходная мощность на площадь поверхности сонотрода ультразвукового устройства зависит от параметров. Выходная мощность на площадь поверхности сонотрода равна интенсивности поверхности (I). Поверхностная интенсивность зависит от амплитуды (А), давления (р), объема реактора (VR), температуры (Т), вязкости (η) и других.

Воздействие генерируемой кавитации зависит от интенсивности поверхности. Точно так же коррелирует и результат процесса. Суммарная выходная мощность ультразвуковой установки является произведением интенсивности поверхности (I) на площадь поверхности (S):

p [w] я [w / миллиметр²]* s[миллиметр²]

амплитуда

Амплитуда колебаний описывает способ (например, 50 мкм) движения поверхности сонотрода за заданное время (например, 1/20 000 с при 20 кГц). Чем больше амплитуда, тем выше скорость, с которой давление падает и увеличивается при каждом такте. В дополнение к этому, объемное смещение каждого удара увеличивается, что приводит к увеличению объема кавитации (размера и/или количества пузырьков). При применении к дисперсиям более высокие амплитуды демонстрируют более высокую разрушающую способность к твердым частицам. 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 обеспечивает кавитацию при температурах, близких к или выше точки кипения. Это также увеличивает интенсивность имплозии, которая связана с разницей между статическим давлением и давлением пара внутри пузыря (ср. Vercet et al. 1999). Поскольку мощность и интенсивность ультразвука быстро меняются при изменении давления, предпочтительнее использовать насос с постоянным давлением. При подаче жидкости в проточный ячеек насос должен быть способен обрабатывать определенный расход жидкости при подходящем давлении. Мембранные или мембранные насосы; гибкие трубчатые, шланговые или отжимные насосы; перистальтические насосы; или поршневой или плунжерный насос создадут переменные колебания давления. Предпочтение отдается центробежным насосам, шестеренчатым насосам, спиральным насосам и винтовым насосам, которые подают жидкость, подлежащую обработке ультразвуком, под постоянно стабильным давлением. (Хильшер 2005)

температура

При ультразвуковой обработке жидкости энергия передается в среду. Поскольку ультразвуковые колебания вызывают турбулентность и трение, ультразвуковая жидкость – в соответствии с законом термодинамики – будет нагреваться. Повышенные температуры обрабатываемой среды могут быть разрушительными для материала и снижать эффективность ультразвуковой кавитации. Инновационные ультразвуковые проточные ячейки оснащены охлаждающей рубашкой (см. рисунок). Благодаря этому обеспечивается точный контроль над температурой материала при ультразвуковой обработке. Для обработки меньшего объема ультразвуком рекомендуется ледяная баня для отвода тепла.

Вязкость и концентрация

ультразвуковой измельчение и Диспергирующий являются жидкими процессами. Частицы должны находиться в суспензии, например, в воде, масле, растворителях или смолах. С помощью ультразвуковых проточных систем становится возможным ультразвуковое воздействие на очень вязкий, пастообразный материал.
Мощный ультразвуковой процессор может работать при довольно высоких концентрациях твердых веществ. Высокая концентрация обеспечивает эффективность ультразвуковой обработки, так как эффект ультразвукового фрезерования обусловлен столкновением между частицами. Исследования показали, что скорость разрушения диоксида кремния не зависит от концентрации твердого вещества до 50% по весу. Обработка маточных концентратов с высококонцентрированным соотношением материала является распространенной производственной процедурой с использованием ультразвука.

Мощность и интенсивность в сравнении с энергией

Интенсивность поверхности и общая мощность описывают только интенсивность обработки. Объем образца, обработанного ультразвуком, и время воздействия при определенной интенсивности должны быть учтены для описания процесса ультразвуковой обработки, чтобы сделать его масштабируемым и воспроизводимым. Для данной конфигурации параметров результат процесса, например, размер частиц или химическое превращение, будет зависеть от энергии на объем (E/V).

Результат = F (E /V )

Где энергия (E) является произведением выходной мощности (P) и времени воздействия (t).

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

Изменения в конфигурации параметров изменят функцию result. Это, в свою очередь, будет изменять количество энергии (E), необходимое для заданного значения образца (V) для получения конкретного значения результата. По этой причине для получения результата недостаточно задействовать определенную мощность ультразвука в процессе. Требуется более сложный подход для определения требуемой мощности и конфигурации параметров, при которых мощность должна быть вложена в обрабатываемый материал. (Хильшер 2005)

Ультразвуковое производство биоэтанола

Уже известно, что ультразвук улучшает выработку биоэтанола. Рекомендуется сгущать жидкость с биомассой до высоковязкой суспензии, которая все еще пригодна для перекачки. Ультразвуковые реакторы могут работать с довольно высокими концентрациями твердых веществ, что позволяет проводить процесс ультразвука наиболее эффективно. Чем больше материала содержится в суспензии, тем меньше жидкости-носителя будет обработано, которая не получит пользы от процесса ультразвука. Поскольку поступление энергии в жидкость вызывает нагрев жидкости по закону термодинамики, это означает, что ультразвуковая энергия прикладывается к целевому материалу, насколько это возможно. Благодаря такой эффективной технологической схеме можно избежать расточительного нагрева избытка жидкости-носителя.
Ультразвуковое исследование помогает Извлечение внутриклеточного материала и делает его тем самым доступным для ферментативной ферментации. Мягкое ультразвуковое воздействие может усилить ферментативную активность, но для экстракции биомассы потребуется более интенсивное ультразвук. Следовательно, ферменты следует добавлять в суспензию биомассы после ультразвуковой обработки, так как интенсивный ультразвук инактивирует ферменты, что не является нежелательным эффектом.

Текущие результаты, достигнутые научными исследованиями:

Исследования Yoswathana et al. (2010), посвященные производству биоэтанола из рисовой соломы, показали, что сочетание предварительной обработки кислотой и ультразвуковой обработки перед ферментативной обработкой приводит к увеличению выхода сахара до 44% (в пересчете на рисовую солому). Это показывает эффективность сочетания физико-химической предварительной обработки перед ферментативным гидролизом лигноцеллюлозного материала до сахара.

На диаграмме 2 графически проиллюстрированы положительные эффекты ультразвукового облучения при производстве биоэтанола из рисовой соломы. (Древесный уголь использовался для детоксикации предварительно обработанных образцов после предварительной обработки кислотой/ферментами и ультразвуковой предварительной обработки.)

В другом недавнем исследовании изучалось влияние ультразвука на внеклеточный и внутриклеточный уровни фермента β-галактозидазы. Sulaiman et al. (2011) смогли значительно повысить продуктивность производства биоэтанола, используя ультразвук при контролируемой температуре, стимулирующий рост дрожжей Kluyveromyces marxianus (ATCC 46537). Авторы статьи делают вывод о том, что прерывистая ультразвуковая обработка ультразвуком мощности (20 кГц) при скважности ≤20% стимулировала выработку биомассы, метаболизм лактозы и производство этанола у K. marxianus при относительно высокой интенсивности ультразвука 11,8 Вт²⁻². При наилучших условиях ультразвуковая обработка увеличивала конечную концентрацию этанола почти в 3,5 раза по сравнению с контролем. Это соответствовало увеличению производительности этанола в 3,5 раза, но требовало 952 Вт дополнительной потребляемой мощности на кубический метр бульона за счет ультразвуковой обработки. Эта дополнительная потребность в энергии, безусловно, находилась в пределах приемлемых эксплуатационных норм для биореакторов, а для продуктов с высокой добавленной стоимостью могла быть легко компенсирована повышением производительности.

Заключение: преимущества ферментации с помощью ультразвука

Ультразвуковая обработка показала себя эффективным и инновационным методом повышения выхода биоэтанола. В первую очередь, ультразвук используется для извлечения внутриклеточного материала из биомассы, такой как кукуруза, соевые бобы, солома, лигноцеллюлозный материал или растительные отходы.

• Увеличение выхода биоэтанола
• Эксгувация/разрушение клеток и высвобождение внутриклеточного материала
• Улучшенное анаэробное разложение
• Активация ферментов с помощью мягкой ультразвука
• Повышение эффективности технологического процесса за счет высококонцентрированных суспензий

Простота тестирования, воспроизводимое масштабирование и легкая установка (в том числе в уже существующих производственных потоках) делают ультразвуковую технологию выгодной и эффективной. Надежные промышленные ультразвуковые процессоры для промышленной обработки доступны и позволяют обрабатывать ультразвуком практически неограниченные объемы жидкости.