Ultrazvukom asistovaná fermentácia na výrobu bioetanolu

Ultrazvukom asistovaná fermentácia môže zvýšiť produkciu bioetanolu tým, že podporuje rozklad komplexných sacharidov na jednoduchšie cukry, vďaka čomu sú ľahšie dostupné pre kvasinky na premenu na etanol. Sonikácia zároveň zlepšuje účinnosť priepustnosti bunkovej steny kvasiniek, čo umožňuje rýchlejšie uvoľňovanie etanolu a zvýšenú celkovú produkciu. Ultrazvukom podporovaná fermentácia bioetanolu tak vedie k vyšším mieram konverzie a zvýšeným výťažkom.

kvasenie

Fermentácia môže byť aeróbny (= oxidačná fermentácia) alebo anaeróbny proces, ktorý sa používa v biotechnologických aplikáciách na premenu organického materiálu bakteriálnymi, hubovými alebo inými biologickými bunkovými kultúrami alebo enzýmami. Fermentáciou sa energia získava z oxidácie organických zlúčenín, napr. sacharidov.
Cukor je najbežnejším substrátom fermentácie, ktorý vzniká po fermentácii v produktoch, ako je kyselina mliečna, laktóza, etanol a vodík. Na alkoholové kvasenie, etanol – najmä na použitie ako palivo, ale aj na alkoholické nápoje – sa vyrába fermentáciou. Keď niektoré kmene kvasiniek, ako napr Saccharomyces cerevisiae Metabolizujú cukor, kvasinkové bunky premieňajú východiskový materiál na etanol a oxid uhličitý.

Nižšie uvedené chemické rovnice sumarizujú konverziu:

Ak je východiskovým materiálom škrob, napr. z kukurice, najskôr sa škrob musí premeniť na cukor. V prípade bioetanolu používaného ako palivo je potrebná hydrolýza na premenu škrobu. Hydrolýza sa zvyčajne urýchľuje kyslou alebo enzymatickou úpravou alebo kombináciou oboch. Za normálnych okolností sa fermentácia uskutočňuje pri teplote približne 35 – 40 °C.
Prehľad rôznych fermentačných procesov:

Jedlo:

• výroba & konzervovanie
• mliečne výrobky (fermentácia kyselinou mliečnou), napr. jogurt, cmar, kefír
• mliečna fermentovaná zelenina, napr. kimchi, miso, natto, tsukemono, kyslá kapusta
• vývoj aromatických látok, napr. sójovej omáčky
• rozklad trieslovín, napr. čaju, kakaa, kávy, tabaku
• alkoholické nápoje, napr. pivo, víno, whisky

Lieky:

• produkcia liečivých zlúčenín, napr. inzulínu, kyseliny hyalurónovej

Bioplyn / etanol:

• zlepšenie výroby bioplynu/bioetanolu

Rôzne výskumné práce a testy v stolovej a pilotnej veľkosti ukázali, že ultrazvuk zlepšuje proces fermentácie tým, že sprístupňuje viac biomasy na enzymatickú fermentáciu. V nasledujúcej časti budú rozpracované účinky ultrazvuku v kvapaline.

Účinky ultrazvukového spracovania kvapalín

Vysokovýkonným / nízkofrekvenčným ultrazvukom je možné generovať vysoké amplitúdy. Vysokovýkonný/nízkofrekvenčný ultrazvuk sa tak môže použiť na spracovanie kvapalín, ako je miešanie, emulgácia, dispergácia a deaglomerácia alebo mletie.
Pri sonikovaní kvapalín pri vysokej intenzite majú zvukové vlny, ktoré sa šíria do kvapalného média, za následok striedanie vysokotlakových (kompresných) a nízkotlakových (zriedených) cyklov s rýchlosťou v závislosti od frekvencie. Počas nízkotlakového cyklu vytvárajú ultrazvukové vlny s vysokou intenzitou malé vákuové bubliny alebo dutiny v kvapaline. Keď bubliny dosiahnu objem, pri ktorom už nemôžu absorbovať energiu, prudko sa zrútia počas vysokotlakového cyklu. Tento jav sa nazýva kavitácia. Kavitácieto je “tvorba, rast a imploziívny kolaps bublín v kvapaline. Kavitačný kolaps spôsobuje intenzívne lokálne zahrievanie (~5000 K), vysoké tlaky (~1000 atm) a enormné rýchlosti zahrievania a chladenia (>109 K/s)” a prúdy kvapalín (~400 km/h)". (Suslick 1998)

Existujú rôzne spôsoby na vytvorenie kavitácie, napríklad vysokotlakovými dýzami, rotorovými statorovými mixérmi alebo ultrazvukovými procesormi. Vo všetkých týchto systémoch sa vstupná energia premieňa na trenie, turbulencie, vlny a kavitáciu. Podiel vstupnej energie, ktorá sa transformuje na kavitáciu, závisí od niekoľkých faktorov popisujúcich pohyb zariadenia na výrobu kavitácie v kvapaline. Intenzita zrýchlenia je jedným z najdôležitejších faktorov ovplyvňujúcich efektívnu premenu energie na kavitaciu. Vyššie zrýchlenie vytvára vyššie tlakové rozdiely. To zase zvyšuje pravdepodobnosť vytvorenia vákuových bublín namiesto vytvárania vĺn šíriacich sa kvapalinou. Čím vyššie je teda zrýchlenie, tým vyšší je zlomok energie, ktorá sa premieňa na kavitáciu.
V prípade ultrazvukového prevodníka amplitúda oscilácie popisuje intenzitu zrýchlenia. Vyššie amplitúdy majú za následok efektívnejšiu tvorbu kavitácie. Okrem intenzity by sa kvapalina mala urýchliť tak, aby sa vytvorili minimálne straty z hľadiska turbulencií, trenia a generovania vĺn. Na tento účel je optimálnym spôsobom jednostranný smer pohybu. Pri zmene intenzity a parametrov procesu sonikácie môže byť ultrazvuk veľmi tvrdý alebo veľmi mäkký. Vďaka tomu je ultrazvuk veľmi všestranným nástrojom pre rôzne aplikácie.

Mäkké aplikácie, ktoré aplikujú miernu sonikaciu za miernych podmienok, zahŕňajú odplyňovanie, Emulgačnéa aktivácia enzýmov. Tvrdé aplikácie s ultrazvukom s vysokou intenzitou / vysokým výkonom (väčšinou pod zvýšeným tlakom) sú mokré frézovanie, Deaglomerácia & zmenšenie veľkosti častíc a Rozptyľuje. Pre mnohé aplikácie, ako napr Extrakcia, rozpad alebo Sonochémia, požadovaná intenzita ultrazvuku závisí od konkrétneho materiálu, ktorý sa má sonikovať. Vďaka rôznym parametrom, ktoré je možné prispôsobiť individuálnemu procesu, ultrazvuk umožňuje nájsť sladké miesto pre každý jednotlivý proces.
Okrem vynikajúcej konverzie výkonu ponúka ultrazvuk veľkú výhodu plnej kontroly nad najdôležitejšími parametrami: amplitúda, tlak, teplota, viskozita a koncentrácia. To ponúka možnosť upraviť všetky tieto parametre s cieľom nájsť ideálne parametre spracovania pre každý konkrétny materiál. Výsledkom je vyššia účinnosť, ako aj optimalizovaná účinnosť.

Ultrazvuk na zlepšenie fermentačných procesov, vysvetlený príkladne s výrobou bioetanolu

Bioetanol je produktom rozkladu biomasy alebo biologicky rozložiteľných látok odpadu anaeróbnymi alebo aeróbnymi baktériami. Vyrobený etanol sa používa hlavne ako biopalivo. Vďaka tomu je bioetanol obnoviteľnou a ekologickou alternatívou fosílnych palív, ako je zemný plyn.
Na výrobu etanolu z biomasy sa ako surovina môže použiť cukor, škrob a lignocelulózový materiál. Pre veľkosť priemyselnej výroby v súčasnosti prevláda cukor a škrob, pretože sú ekonomicky výhodné.
Ako ultrazvuk zlepšuje individuálny proces zákazníka s konkrétnou surovinou za daných podmienok, je možné veľmi jednoducho vyskúšať pomocou testov uskutočniteľnosti. V prvom kroku ultrazvuková sonikácia malého množstva surovinovej kaše Laboratórne zariadenie ukáže, či ultrazvuk ovplyvňuje surovinu.

Testovanie uskutočniteľnosti

V prvej testovacej fáze je vhodné zaviesť relatívne veľké množstvo ultrazvukovej energie do malého objemu kvapaliny, čím sa zvyšuje šanca zistiť, či je možné dosiahnuť nejaké výsledky. Malý objem vzorky tiež skracuje čas používania laboratórneho zariadenia a znižuje náklady na prvé testy.
Ultrazvukové vlny sú prenášané povrchom sonotrody do kvapaliny. Pod povrchom sonotródy je intenzita ultrazvuku najintenzívnejšia. Preto sa uprednostňujú krátke vzdialenosti medzi sonotródou a sonikovaným materiálom. Keď je odkrytý malý objem kvapaliny, vzdialenosť od sonotródy môže byť krátka.
Nasledujúca tabuľka zobrazuje typické úrovne energie/objemu pre procesy sonikácie po optimalizácii. Keďže prvé pokusy nebudú prebiehať v optimálnej konfigurácii, intenzita sonikácie a čas 10 až 50-násobok typickej hodnoty ukáže, či má sonikovaný materiál nejaký účinok alebo nie.

Proces	Energia/ objem	Objem vzorky	Sila	Čas
jednoduchý	< 100 Ws/ml	10 ml	50 W	< 20 sekúnd
Stredná	100 Ws/ml až 500 Ws/ml	10 ml	50 W	20 až 100 sekúnd
Tvrdý	> 500 W/ml	10 ml	50 W	>100 sekúnd

Tabuľka 1 – Typické hodnoty sonikácie po optimalizácii procesu

Skutočný príkon skúšobných jázd je možné zaznamenať prostredníctvom integrovaného záznamu údajov (UP200Ht a UP200St), PC rozhranie alebo pomocou merača výkonu. V kombinácii so zaznamenanými údajmi o nastavení amplitúdy a teploty je možné vyhodnotiť výsledky každého pokusu a stanoviť konečný výsledok energie/objemu.
Ak bola počas testov zvolená optimálna konfigurácia, tento výkon konfigurácie by sa mohol overiť počas kroku optimalizácie a nakoniec by sa mohol rozšíriť na komerčnú úroveň. Na uľahčenie optimalizácie sa dôrazne odporúča preskúmať limity sonikácie, napr. teplotu, amplitúdu alebo energiu/objem aj pre konkrétne formulácie. Keďže ultrazvuk by mohol mať negatívne účinky na bunky, chemikálie alebo častice, je potrebné preskúmať kritické úrovne pre každý parameter, aby sa nasledujúca optimalizácia obmedzila na rozsah parametrov, v ktorom sa negatívne účinky nepozorujú. Pre štúdiu uskutočniteľnosti sa odporúčajú malé laboratórne alebo stolové jednotky, aby sa obmedzili náklady na vybavenie a vzorky v takýchto skúškach. Vo všeobecnosti jednotky 100 až 1 000 wattov slúžia na účely štúdie uskutočniteľnosti veľmi dobre. (porovnaj Hielscher 2005)

optimalizácia

Výsledky dosiahnuté počas štúdií uskutočniteľnosti môžu ukázať pomerne vysokú spotrebu energie vzhľadom na malý objem ošetrenia. Účelom testu uskutočniteľnosti je však predovšetkým ukázať účinky ultrazvuku na materiál. Ak sa pri testovaní uskutočniteľnosti vyskytli pozitívne účinky, je potrebné vyvinúť ďalšie úsilie na optimalizáciu pomeru energie/objemu. To znamená preskúmať ideálnu konfiguráciu ultrazvukových parametrov na dosiahnutie najvyššieho výnosu s použitím čo menšieho množstva energie, aby bol proces ekonomicky najrozumnejší a najefektívnejší. Nájdenie optimálnej konfigurácie parametrov – Získanie zamýšľaných prínosov s minimálnym energetickým príkonom – korelácia medzi najdôležitejšími parametrami amplitúda, tlak, teplota a kvapalina Zloženie sa musí preskúmať. V tomto druhom kroku sa odporúča prechod z dávkovej sonikácie na kontinuálnu sonikačnú úpravu s reaktorom prietokových článkov, pretože dôležitý parameter tlaku nie je možné ovplyvniť pre dávkovú sonikaciu. Počas sonikácie v dávke je tlak obmedzený na okolitý tlak. Ak proces sonikácie prechádza tlakovou komorou prietokových buniek, tlak sa môže zvýšiť (alebo znížiť), čo vo všeobecnosti ovplyvňuje ultrazvuk Kavitácie Drasticky. Pomocou prietokovej bunky je možné určiť koreláciu medzi tlakom a účinnosťou procesu. Ultrazvukové procesory medzi 500 wattov a 2000 wattov výkonu sú najvhodnejšie na optimalizáciu procesu.

Rozšírenie na komerčnú výrobu

Ak sa nájde optimálna konfigurácia, ďalšie škálovanie je jednoduché, pretože ultrazvukové procesy sú plne reprodukovateľné v lineárnej mierke. To znamená, že keď sa ultrazvuk aplikuje na identickú kvapalnú formuláciu pri rovnakej konfigurácii parametrov spracovania, na získanie rovnakého výsledku nezávisle od rozsahu spracovania je potrebná rovnaká energia na objem. (Hielscher 2005). To umožňuje implementovať optimálnu konfiguráciu parametrov ultrazvuku na plnú veľkosť výroby. Objem, ktorý je možné ultrazvukovo spracovať, je prakticky neobmedzený. Komerčné ultrazvukové systémy až 16 000 wattov na jednotku sú k dispozícii a môžu byť inštalované v klastroch. Takéto zhluky ultrazvukových procesorov môžu byť inštalované paralelne alebo sériovo. Vďaka klastrovej inštalácii vysokovýkonných ultrazvukových procesorov je celkový výkon takmer neobmedzený, takže je možné bez problémov spracovať veľké objemové prúdy. Aj ak je potrebná úprava ultrazvukového systému, napr. na prispôsobenie parametrov modifikovanej kvapalnej formulácii, je to väčšinou možné vykonať výmenou sonotrody, posilňovača alebo prietokového článku. Vďaka lineárnej škálovateľnosti, reprodukovateľnosti a prispôsobivosti ultrazvuku je táto inovatívna technológia efektívna a nákladovo efektívna.

Parametre ultrazvukového spracovania

Ultrazvukové spracovanie kvapaliny je popísané množstvom parametrov. Najdôležitejšie sú amplitúda, tlak, teplota, viskozita a koncentrácia. Výsledok procesu, ako je veľkosť častíc, pre danú konfiguráciu parametra je funkciou energie na spracovaný objem. Funkcia sa mení so zmenami jednotlivých parametrov. Okrem toho skutočný výstupný výkon na plochu sonotródy ultrazvukovej jednotky závisí od parametrov. Výstupný výkon na plochu sonotródy je intenzita povrchu (I). Intenzita povrchu závisí od amplitúdy (A), tlaku (p), objemu reaktora (VR), teploty (T), viskozity (η) a ďalších.

Vplyv vytvorenej kavitácie závisí od intenzity povrchu. Rovnakým spôsobom koreluje aj výsledok procesu. Celkový výstupný výkon ultrazvukovej jednotky je súčinom intenzity povrchu (I) a plochy povrchu (S):

p [w] ja [w / Mm²]* s[Mm²]

amplitúda

Amplitúda oscilácie popisuje spôsob, akým (napr. 50 μm) sa povrch sonotródy pohybuje v danom čase (napr. 1/20 000 s pri 20 kHz). Čím väčšia je amplitúda, tým vyššia je rýchlosť, akou tlak klesá a zvyšuje sa pri každom zdvihu. Okrem toho sa objemový posun každého ťahu zvyšuje, čo vedie k väčšiemu kavitačnému objemu (veľkosť a/alebo počet bubliny). Pri aplikácii na disperzie vykazujú vyššie amplitúdy vyššiu deštruktívnosť voči pevným časticiam. Tabuľka 1 zobrazuje všeobecné hodnoty pre niektoré ultrazvukové procesy.

tlak

Teplota varu kvapaliny závisí od tlaku. Čím vyšší je tlak, tým vyšší je bod varu a naopak. Zvýšený tlak umožňuje kavitáciu pri teplotách blízkych alebo vyšších ako bod varu. Zvyšuje tiež intenzitu implózie, ktorá súvisí s rozdielom medzi statickým tlakom a tlakom pár vo vnútri bubliny (porovnaj Vercet et al. 1999). Pretože ultrazvukový výkon a intenzita sa rýchlo mení so zmenami tlaku, je vhodnejšie čerpadlo s konštantným tlakom. Pri dodávaní kvapaliny do prietokového článku by čerpadlo malo byť schopné zvládnuť špecifický prietok kvapaliny pri vhodných tlakoch. membránové alebo membránové čerpadlá; flexibilné rúrkové, hadicové alebo stláčacie čerpadlá; peristaltické čerpadlá; alebo piestové alebo piestové čerpadlo vytvorí striedavé kolísanie tlaku. Uprednostňujú sa odstredivé čerpadlá, zubové čerpadlá, špirálové čerpadlá a progresívne dutinové čerpadlá, ktoré dodávajú kvapalinu, ktorá sa má sonikovať, pri nepretržite stabilnom tlaku. (Hielscher 2005)

teplota

Sonikáciou kvapaliny sa do média prenáša energia. Keďže ultrazvukom generovaná oscilácia spôsobuje turbulencie a trenie, sonikovaná kvapalina – v súlade so zákonom termodynamiky – sa zahreje. Zvýšené teploty spracovávaného média môžu byť deštruktívne pre materiál a znížiť účinnosť ultrazvukovej kavitácie. Inovatívne ultrazvukové prietokové články sú vybavené chladiacim plášťom (pozri obrázok). Tým je daná presná kontrola teploty materiálu počas ultrazvukového spracovania. Na sonizáciu kadičiek menších objemov sa odporúča ľadový kúpeľ na odvod tepla.

Viskozita a koncentrácia

nadzvukový Frézovanie a Rozptyľuje sú kvapalné procesy. Častice musia byť v suspenzii, napr. vo vode, oleji, rozpúšťadlách alebo živiciach. Použitím ultrazvukových prietokových systémov je možné sonikovať veľmi viskózny, pastovitý materiál.
Vysokovýkonný ultrazvukový procesor je možné prevádzkovať pri pomerne vysokých koncentráciách pevných látok. Vysoká koncentrácia poskytuje účinnosť ultrazvukového spracovania, pretože efekt ultrazvukového mletia je spôsobený zrážkou medzi časticami. Výskumy ukázali, že rýchlosť lámania oxidu kremičitého je nezávislá od koncentrácie pevnej látky až do 50 % hmotnosti. Spracovanie predvsuvov s pomerom vysoko koncentrovaného materiálu je bežný výrobný postup využívajúci ultrazvuk.

Sila a intenzita vs. energia

Povrchová intenzita a celkový výkon popisujú iba intenzitu spracovania. Na opis procesu sonikácie je potrebné zvážiť objem sonikovanej vzorky a čas expozície pri určitej intenzite, aby bol škálovateľný a reprodukovateľný. Pre danú konfiguráciu parametrov bude výsledok procesu, napr. veľkosť častíc alebo chemická premena, závisieť od energie na objem (E/V).

Výsledok = F (E /V )

Kde energia (E) je súčinom výstupného výkonu (P) a času expozície (t).

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

Zmeny v konfigurácii parametrov zmenia funkciu výsledku. To zase zmení množstvo energie (E) potrebné na danú hodnotu vzorky (V) na získanie konkrétnej výslednej hodnoty. Z tohto dôvodu nestačí nasadiť určitú silu ultrazvuku do procesu, aby ste dosiahli výsledok. Na identifikáciu požadovaného výkonu a konfigurácie parametrov, pri ktorých by sa mal výkon vložiť do procesného materiálu, je potrebný sofistikovanejší prístup. (Hielscher 2005)

Ultrazvukom podporovaná výroba bioetanolu

Už vieme, že ultrazvuk zlepšuje produkciu bioetanolu. Odporúča sa zahustiť kvapalinu biomasou na vysoko viskóznu suspenziu, ktorá je stále čerpateľná. Ultrazvukové reaktory dokážu zvládnuť pomerne vysoké koncentrácie pevných látok, takže proces sonikácie môže byť spustený čo najefektívnejšie. Čím viac materiálu je v suspenzii obsiahnuté, tým menej nosnej kvapaliny, ktorá nebude mať prospech z procesu sonikácie, bude ošetrená. Keďže vstup energie do kvapaliny spôsobuje zahrievanie kvapaliny podľa zákona termodynamiky, znamená to, že ultrazvuková energia sa aplikuje na cieľový materiál, pokiaľ je to možné. Takýmto efektívnym návrhom procesu sa zabráni zbytočnému zahrievaniu prebytočnej nosnej kvapaliny.
Ultrazvuk pomáha Extrakcia intracelulárneho materiálu a tým ho sprístupňuje pre enzymatickú fermentáciu. Mierne ultrazvukové ošetrenie môže zvýšiť enzymatickú aktivitu, ale na extrakciu biomasy bude potrebný intenzívnejší ultrazvuk. Preto by sa enzýmy mali po sonikácii pridávať do suspenzie biomasy, pretože intenzívny ultrazvuk inaktivuje enzýmy, čo nie je žiaduci účinok.

Súčasné výsledky vedeckého výskumu:

Štúdie Yoswathana et al. (2010) týkajúce sa výroby bioetanolu z ryžovej slamy ukázali, že kombinácia predbežnej úpravy kyselinou a ultrazvuku pred enzymatickou úpravou vedie k zvýšeniu výťažku cukru až o 44 % (na báze ryžovej slamy). To ukazuje účinnosť kombinácie fyzikálnej a chemickej predúpravy pred enzymatickou hydrolýzou lignocelulózového materiálu na cukor.

Graf 2 graficky znázorňuje pozitívne účinky ultrazvukového ožarovania počas výroby bioetanolu z ryžovej slamy. (Drevené uhlie sa používa na detoxikáciu vopred upravených vzoriek z predúpravy kyselinou / enzýmami a ultrazvukovej predbežnej úpravy.)

V ďalšej nedávnej štúdii sa skúmal vplyv ultrazvuku na extracelulárnu a intracelulárnu hladinu enzýmu β-galaktozídázy. Sulaiman et al. (2011) by mohli podstatne zvýšiť produktivitu výroby bioetanolu pomocou ultrazvuku pri kontrolovanej teplote stimulujúcej rast kvasiniek Kluyveromyces marxianus (ATCC 46537). Autori článku pokračujú, že prerušovaná sonikácia s výkonovým ultrazvukom (20 kHz) v pracovných cykloch ≤20 % stimulovala produkciu biomasy, metabolizmus laktózy a produkciu etanolu u K. marxianus pri relatívne vysokej intenzite sonikácie 11,8 Wcm⁻². Za najlepších podmienok sonikácia zvýšila konečnú koncentráciu etanolu takmer 3,5-násobne v porovnaní s kontrolou. To zodpovedalo 3,5-násobnému zvýšeniu produktivity etanolu, ale vyžadovalo si 952 W dodatočného príkonu na meter kubický vývaru prostredníctvom sonikácie. Táto dodatočná požiadavka na energiu bola určite v rámci prijateľných prevádzkových noriem pre bioreaktory a v prípade produktov s vysokou hodnotou sa dala ľahko kompenzovať zvýšenou produktivitou.

Záver: Výhody ultrazvukom asistovanej fermentácie

Ultrazvukové ošetrenie sa ukázalo ako účinná a inovatívna technika na zvýšenie výťažku bioetanolu. Ultrazvuk sa primárne používa na extrakciu intracelulárneho materiálu z biomasy, ako je kukurica, sója, slama, lignocelulózový materiál alebo rastlinné odpadové materiály.

• Zvýšenie výťažnosti bioetanolu
• Disinterácia/deštrukcia buniek a uvoľňovanie intracelulárneho materiálu
• Zlepšený anaeróbny rozklad
• Aktivácia enzýmov miernou sonikáciou
• Zlepšenie efektivity procesu vďaka kalom s vysokou koncentráciou

Jednoduché testovanie, reprodukovateľné škálovanie a jednoduchá inštalácia (aj v už existujúcich výrobných tokoch) robí z ultrazvuku ziskovú a efektívnu technológiu. K dispozícii sú spoľahlivé priemyselné ultrazvukové procesory pre komerčné spracovanie, ktoré umožňujú sonikovať prakticky neobmedzené objemy kvapalín.