Ультразвуковая ферментация для производства биоэтанола

Ферментация

Ферментация может быть аэробной (= окислительной ферментацией) или анаэробным процессом, который используется для биотехнологических применений для превращения органического материала бактериальными, грибковыми или другими биологическими клеточными культурами или ферментами. При ферментации энергия извлекается из окисления органических соединений, например, углеводов.

Сахар является наиболее распространенным субстратом ферментации, образующимся после ферментации в таких продуктах, как молочная кислота, лактоза, этанол и водород. Для алкогольной ферментации этанол - особенно для использования в качестве топлива, но также и для алкогольных напитков – производится ферментацией. Когда определенные штаммы дрожжей, такие как Saccharomyces CEREVISIAE метаболизируют сахар, дрожжевые клетки превращают исходный материал в этанол и двуокись углерода.

Химические уравнения ниже суммируют преобразование:

Если исходным материалом является крахмал, например, из кукурузы, сначала крахмал должен быть превращен в сахар. Для биоэтанола, используемого в качестве топлива, необходим гидролиз для преобразования крахмала. Как правило, гидролиз ускоряется путем кислотного или ферментативного лечения или путем сочетания обоих. Обычно ферментацию проводят при температуре около 35-40 ° С.
Обзор различных процессов ферментации:

Питание:

• производство & сохранение
• молочная ферментация молочной кислоты, например, йогурт, пахта, кефир
• молочно-ферментированные овощи, например кимчи, мисо, натто, цукемоно, квашеная капуста
• разработка ароматических соединений, например соевого соуса
• разложение дубильных веществ, например, чай, какао, кофе, табак
• алкогольные напитки, например, пиво, вино, виски

Наркотики:

• производство медицинских соединений, например инсулина, гиалуроновой кислоты

Биогаз / этанол:

• улучшение производства биогаза / биоэтанола

Различные исследовательские работы и тесты в настольных и экспериментальных размерах показали, что ультразвук улучшает процесс ферментации, делая больше биомассы доступной для ферментативной ферментации. В следующем разделе будут рассмотрены эффекты ультразвука в жидкости.

Влияние ультразвуковой обработки жидкости

При высокой мощности / низкочастотном ультразвуке могут генерироваться большие амплитуды. Таким образом, высокомощное / низкочастотное ультразвуковое исследование может использоваться для обработки жидкостей, таких как смешивание, эмульгирование, диспергирование и деагломерация или фрезерование.
Звуковые волны, распространяющиеся в жидкие среды, при звукоизменяющих жидкостях при высоких интенсивностях приводят к чередованию циклов высокого давления (сжатия) и низкого давления (разрежения) со скоростями, зависящими от частоты. Во время цикла низкого давления высокоинтенсивные ультразвуковые волны создают небольшие вакуумные пузырьки или пустоты в жидкости. Когда пузырьки достигают объема, при котором они больше не могут поглощать энергию, они сильно разрушаются во время цикла высокого давления. Это явление называют кавитацией. кавитация, то есть “образование, рост и имплозивный коллапс пузырьков в жидкости. Кавитационный коллапс вызывает интенсивное локальное нагревание (~ 5000 K), высокое давление (~ 1000 атм) и огромные скорости нагрева и охлаждения (>109 К / с)” и струей жидкости (~ 400 км / ч) ». (Suslick, 1998)

Существуют различные способы создания кавитации, такие как сопла высокого давления, смесители ротора-статора 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 кавитационно-генерирующего оборудования в жидкости. Интенсивность ускорения является одним из наиболее важных факторов, влияющих на эффективную трансформацию энергии в кавитацию. Более высокое ускорение создает более высокие разницы давления. Это, в свою очередь, увеличивает вероятность создания вакуумных пузырьков вместо создания волн, распространяющихся через жидкость. 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. В дополнение к интенсивности жидкость должна быть ускорена таким образом, чтобы создавать минимальные потери в условиях турбулентности, трения и генерации волн. Для этого оптимальным способом является одностороннее направление движения. Меняя интенсивность и параметры процесса обработки ультразвуком, ультразвук может быть очень твердым или очень мягким. Это делает ультразвук очень универсальным инструментом для различных применений.

Мягкие приложения, применяющие мягкую ультразвуковую обработку в мягких условиях, включают дегазация, ЭМУЛЬГИРУЮЩЕЕ, и активация фермента. Твердые приложения с ультразвуком высокой интенсивности / высокой мощности (в основном при повышенном давлении) Wet-фрезерные, Дезагломерация & уменьшение размера частиц и Диспергирование, Для многих приложений, таких как экстракция, дезинтеграции или Sonochemistry, запрошенная мощность ультразвука зависит от конкретного материала, который должен обрабатываться ультразвуком. По разнообразию параметров, которые могут быть адаптированы к индивидуальному процессу, ультразвук позволяет находить сладкое пятно для каждого отдельного процесса.
Помимо выдающегося преобразования мощности, ультразвук предлагает большое преимущество полного контроля над наиболее важными параметрами: амплитудой, давлением, температурой, вязкостью и концентрацией. Это дает возможность настроить все эти параметры с целью найти идеальные параметры обработки для каждого конкретного материала. Это приводит к повышению эффективности, а также к оптимизации эффективности.

Ультразвук для улучшения процессов ферментации, объясненный, в частности, производством биоэтанола

Биоэтанол является продуктом разложения биомассы или биоразлагаемого вещества отходов анаэробными или аэробными бактериями. Полученный этанол в основном используется в качестве биотоплива. Это делает биоэтанол возобновляемой и экологически чистой альтернативой ископаемым видам топлива, таким как природный газ.
Для производства этанола из биомассы в качестве исходного сырья можно использовать сахар, крахмал и лигноцеллюлозный материал. Для промышленного производства в настоящее время преобладают сахар и крахмал, поскольку они экономически выгодны.
Как ультразвук улучшает индивидуальный процесс клиента с конкретным исходным материалом в данных условиях, можно пробовать очень просто с помощью технико-экономических обоснований. На первом этапе обработка ультразвуком небольшого количества суспензии сырья с помощью ультразвука лабораторное устройство покажет, если ультразвук действительно влияет на исходное сырье.

Технико-экономическое обоснование

На первом этапе тестирования целесообразно вводить относительно большой объем ультразвуковой энергии в небольшой объем жидкости, так как, таким образом, вероятность увеличивается, чтобы увидеть, можно ли получить какие-либо результаты. Небольшой объем выборки также сокращает время с использованием лабораторного устройства и сокращает затраты на первые тесты.
Ультразвуковые волны передаются поверхностью сонотрода в жидкость. Бенет поверхность сонотрода, интенсивность ультразвука наиболее интенсивна. Таким образом, предпочтительными являются короткие расстояния между сонотродом и ультразвуковым материалом. Когда раскрывается небольшой объем жидкости, расстояние от сонотрода может быть коротким.
В таблице ниже показаны типичные уровни энергии / объема для процессов обработки ультразвуком после оптимизации. Поскольку первые испытания не будут выполняться при оптимальной конфигурации, интенсивность ультразвука и время в 10-50 раз от типичного значения покажут, есть ли какой-либо эффект для обработанного ультразвуком материала или нет.

Обработать	Топливно-энергетический комплекс / объем	Объем образца	Мощность	время
просто	< 100Ws / мл	10мл	50w	< 20 сек.
средний	100 Вт / мл до 500 Вт / мл	10мл	50w	От 20 до 100 с
Жесткий	> 500Ws / мл	10мл	50w	>100 с

Таблица 1 – Типичные значения ультразвука после оптимизации процесса

Фактическая потребляемая мощность тестовых прогонов может быть записана с помощью встроенной записи данных (Uf200 ः т и UP200St), ПК-интерфейс или пульт управления. В сочетании с записанными данными настройки амплитуды и температуры результаты каждого испытания могут быть оценены и может быть установлена ​​нижняя линия для энергии / объема.
Если в ходе тестов была выбрана оптимальная конфигурация, эту конфигурационную производительность можно было бы проверить на этапе оптимизации и, возможно, окончательно расширить до коммерческого уровня. Чтобы облегчить оптимизацию, настоятельно рекомендуется также изучить пределы обработки ультразвуком, например, температуру, амплитуду или энергию / объем для конкретных составов. Поскольку ультразвук может создавать негативные эффекты для клеток, химических веществ или частиц, необходимо проанализировать критические уровни для каждого параметра, чтобы ограничить следующую оптимизацию диапазоном параметров, где отрицательные эффекты не наблюдаются. Для технико-экономического обоснования рекомендуется использовать небольшие лабораторные или настольные устройства для ограничения расходов на оборудование и образцы в таких испытаниях. Как правило, от 100 до 1000 Вт единиц служат для целей технико-экономического обоснования очень хорошо. (см. Hielscher, 2005)

оптимизация

Результаты, достигнутые в ходе технико-экономических обоснований, могут демонстрировать довольно высокий расход энергии в отношении обрабатываемого малого объема. Но цель технико-экономического обоснования заключается прежде всего в том, чтобы показать влияние ультразвука на материал. Если при технико-экспериментальном тестировании были получены положительные эффекты, необходимо предпринять дополнительные усилия для оптимизации соотношения энергии / объема. Это означает исследовать идеальную конфигурацию параметров ультразвука для достижения наивысшего урожая, используя меньшую энергию, чтобы сделать этот процесс экономически наиболее разумным и эффективным. Чтобы найти оптимальную конфигурацию параметров – получение предполагаемых преимуществ с минимальным исторами энергии – корреляция между наиболее важными параметрами амплитуда, давление, температура а также жидкость состав должен быть исследован. На этом втором этапе рекомендуется переход от периодической обработки ультразвуком к непрерывной установке ультразвуковой обработки с реактором проточной ячейки, поскольку для периодического ультразвукового воздействия нельзя влиять на важный параметр давления. Во время обработки ультразвуком в партии давление ограничивается давлением окружающей среды. Если процесс обработки ультразвуком проходит через камеру с регулируемым давлением, давление может быть увеличено (или уменьшено), что в целом сказывается на ультразвуковой кавитация кардинально. Используя проточную ячейку, можно определить корреляцию между давлением и эффективностью процесса. Ультразвуковые процессоры между 500 Вт а также 2000 Вт мощности наиболее подходят для оптимизации процесса.

Масштабирование до коммерческого производства

Если была найдена оптимальная конфигурация, дальнейшее масштабирование просто, поскольку ультразвуковые процессы полностью воспроизводимый в линейном масштабе, Это означает, что, когда ультразвук применяется к идентичной жидкой композиции при идентичной конфигурации параметров обработки, для получения идентичного результата независимо от масштаба обработки требуется одна и та же энергия на объем. (Hielscher, 2005). Это позволяет реализовать оптимальную конфигурацию параметров ультразвука до размера полной шкалы. Практически объем, который может обрабатываться ультразвуком, неограничен. Коммерческие ультразвуковые системы с 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 полная мощность почти неограничена, поэтому потоки с большими объемами могут обрабатываться без проблем. Также, если требуется адаптация ультразвуковой системы, например, чтобы отрегулировать параметры для модифицированной жидкой композиции, это можно сделать главным образом путем изменения 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 с изменением отдельных параметров. Кроме того, фактическая выходная мощность на площадь поверхности сонотрода ультразвукового блока зависит от параметров. Выходная мощность на площадь поверхности сонотрода составляет поверхностную интенсивность (I). Интенсивность поверхности зависит от амплитуды (A), давления (p), объема реактора (VR), температуры (T), вязкости (η) и других.

Воздействие генерируемой кавитации зависит от интенсивности поверхности. Точно так же результат процесса коррелирует. Суммарная выходная мощность ультразвукового устройства представляет собой произведение поверхностной интенсивности (I) и площади поверхности (S):

п [Ж] я [Ж / мм²] * S[мм²]

амплитуда

Амплитуда колебаний описывает способ (например, 50 мкм) поверхности сонотрода в течение определенного времени (например, 1/20000 с при 20 кГц). Чем больше амплитуда, тем выше скорость, с которой давление уменьшается и увеличивается при каждом такте. В дополнение к этому объемное смещение каждого хода увеличивается, что приводит к увеличению объема кавитации (размер пузырька и / или число). При применении к дисперсиям более высокие амплитуды показывают более высокую разрушаемость твердых частиц. В таблице 1 приведены общие значения для некоторых ультразвуковых процессов.

давление

Точка кипения жидкости зависит от давления. Чем выше давление, тем выше температура кипения и наоборот. Повышенное давление позволяет кавитацию при температурах, близких к температуре кипения или выше. Это также увеличивает интенсивность имплозии, которая связана с разницей между статическим давлением и давлением пара внутри пузырька (см. Vercet et al., 1999). Поскольку мощность и интенсивность ультразвука быстро меняются при изменении давления, предпочтительным является насос с постоянным давлением. При подаче жидкости в проточную ячейку насос должен быть способен обрабатывать конкретный поток жидкости при подходящих давлениях. Мембранные насосы; насосы с гибкой трубкой, шлангом или сжатием; перистальтические насосы; или поршневой или плунжерный насос создадут переменные колебания давления. Предпочтительными являются центробежные насосы, шестеренчатые насосы, спиральные насосы и насосы с прогрессивной полостью, которые подают жидкость, подвергаемую ультразвуку при постоянном стабильном давлении. (Hielscher, 2005)

температура

Посредством звуковой жидкости в среду передается энергия. Поскольку ультразвуковое генерирование колебаний вызывает 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). При этом дается точное управление температурой материала во время ультразвуковой обработки. Для обработки ультразвуком небольших объемов рекомендуется использовать ледяную ванну для рассеивания тепла.

Вязкость и концентрация

Ультразвуковой фрезерование а также Диспергирование являются жидкие процессы. Частицы должны находиться в суспензии, например, в воде, масле, растворителях или смолах. Путем использования ультразвуковых проточных систем становится возможным ультразвуковое обтекание очень вязкого, пастообразного материала.
Мощный ультразвуковой процессор может работать при довольно высоких концентрациях твердых веществ. Высокая концентрация обеспечивает эффективность ультразвуковой обработки, поскольку ультразвуковой эффект измельчения вызван межчастичным столкновением. Исследования показали, что скорость разрушения кремнезема не зависит от концентрации твердого вещества до 50 мас.%. Обработка основных партий с отношением высококонцентрированного материала является обычной процедурой производства с использованием ультразвука.

Мощность и интенсивность по сравнению с энергией

Поверхностная интенсивность и общая мощность описывают только интенсивность обработки. Образец ультразвукового образца и время экспозиции при определенной интенсивности следует рассматривать для описания процесса обработки ультразвуком, чтобы сделать его масштабируемым и воспроизводимым. Для заданной конфигурации параметров результат процесса, например, размер частиц или химическое превращение, будет зависеть от энергии на объем (E / V).

Результат = е (Е /В )

Где энергия (E) является продуктом выходной мощности (P) и временем экспозиции (t).

Е[Wsзнак равно п[Ж] *T[S]

Изменения в конфигурации параметров изменят функцию результата. Это, в свою очередь, будет варьировать количество энергии (E), необходимое для заданного значения выборки (V), чтобы получить конкретное значение результата. По этой причине недостаточно развернуть определенную мощность ультразвука для процесса, чтобы получить результат. Для определения требуемой мощности и конфигурации параметров, при которых мощность должна быть помещена в материал процесса, требуется более сложный подход. (Hielscher, 2005)

Ультразвуковое применение биоэтанола

Уже известно, что ультразвук улучшает производство биоэтанола. Рекомендуется сгущать жидкость с помощью биомассы до очень вязкой суспензии, которая по-прежнему прокачивается. Ультразвуковые реакторы могут обрабатывать довольно высокие концентрации твердых веществ, так что процесс обработки ультразвуком может быть наиболее эффективным. Чем больше материала будет содержаться в суспензии, тем меньше будет использоваться жидкость-носитель, которая не будет получать прибыль от процесса обработки ультразвуком. Поскольку вход энергии в жидкость вызывает нагрев жидкости по закону термодинамики, это означает, что ультразвуковая энергия прикладывается к материалу мишени, насколько это возможно. Благодаря такой эффективной конструкции процесса избегается расточительный нагрев избыточной жидкости-носителя.
Ультразвук помогает экстракция внутриклеточного материала и делает его таким образом доступным для ферментативного ферментации. Мягкая ультразвуковая обработка может усилить ферментативную активность, но для экстракции биомассы потребуется более интенсивное ультразвуковое исследование. Следовательно, ферменты следует добавлять в суспензию биомассы после обработки ультразвуком, поскольку интенсивный ультразвук инактивирует ферменты, что является нежелательным эффектом.

Текущие результаты, достигнутые за счет научных исследований:

Исследования Yoswathana et al. (2010), касающиеся производства биоэтанола из рисовой соломы, показали, что комбинация предварительной обработки кислоты и ультразвука перед ферментативной обработкой приводит к увеличению выхода сахара до 44% (на основе рисовой соломы). Это показывает эффективность комбинации физико-химической предварительной обработки перед ферментативным гидролизом лигноцеллюлозного материала сахаром.

Диаграмма 2 иллюстрирует положительные эффекты ультразвукового облучения во время производства биоэтанола из рисовой соломы графически. (Древесный уголь использовался для детоксикации предварительно обработанных образцов из предварительной обработки кислотой / ферментом и предварительной обработки ультразвуком).

В другом недавнем исследовании было исследовано влияние ультразвука на внеклеточный и внутриклеточный уровни фермента β-галактозидазы. Сулейман и др. (2011) может существенно повысить производительность производства биоэтанола, используя ультразвук при контролируемой температуре, стимулирующей рост дрожжей Kluyveromyces marxianus (ATCC 46537). Авторы статьи возобновляют, что прерывистая ультразвуковая обработка ультразвуком (20 кГц) при рабочих циклах ≤20% стимулированного производства биомассы, метаболизма лактозы и производства этанола в K. marxianus при относительно высокой интенсивности ультразвука 11,8 Вт^-2, В наилучших условиях обработка ультразвуком повышала конечную концентрацию этанола почти в 3,5 раза по сравнению с контролем. Это соответствовало 3,5-кратным повышениям производительности этанола, но потребовало 952 Вт дополнительной мощности на кубический метр бульона путем обработки ультразвуком. Это дополнительное требование для энергии, безусловно, было в пределах допустимых эксплуатационных норм для биореакторов, а для высокоценных продуктов можно было легко компенсировать повышение производительности.

Вывод: преимущества от ферментации, вызванной ультразвуком

Ультразвуковая обработка была показана как эффективная и инновационная технология для повышения выхода биоэтанола. В первую очередь, ультразвук используется для извлечения внутриклеточного материала из биомассы, такого как кукуруза, соя, солома, лигноцеллюлозный материал или растительные отходы.

• Увеличение выхода биоэтанола
• Разрушение / Разрушение клеток и высвобождение внутриклеточного материала
• Улучшенная анаэробного разложения
• Активация ферментов с помощью мягкой ультразвуковой обработки
• Повышение эффективности процесса за счет высококонцентрированных шламов

Простое тестирование, воспроизводимая масштабируемость и простота установки (также в уже существующих производственных потоках) делают ультразвук выгодной и эффективной технологией. Имеются надежные промышленные ультразвуковые процессоры для коммерческой обработки и позволяют обрабатывать практически неограниченные объемы жидкости.