Hielscher Ultrasonics
Radi s vami preberieme váš proces.
Zavolajte nám: +49 3328 437-420
Napíšte nám: [email protected]

Fermentácia podporovaná ultrazvukom na výrobu bioetanolu

Fermentácia podporovaná ultrazvukom môže zlepšiť výrobu bioetanolu tým, že podporuje rozklad komplexných sacharidov na jednoduchšie cukry, ktoré sú tak pre kvasinky ľahšie dostupné na premenu na etanol. Sonikácia zároveň zlepšuje priepustnosť bunkových stien kvasiniek, čím umožňuje rýchlejšie uvoľňovanie etanolu a zvýšenie celkovej produkcie. Fermentácia bioetanolu podporovaná ultrazvukom tak vedie k vyššej miere konverzie a vyšším výťažkom.

Fermentácia

Fermentácia môže byť aeróbny (= oxidačná fermentácia) alebo anaeróbny proces, ktorý sa využíva v biotechnologických aplikáciách na premenu organického materiálu pomocou bakteriálnych, hubových alebo iných biologických bunkových kultúr či enzýmov. Pri fermentácii sa energia získava oxidáciou organických zlúčenín, napr. sacharidov.
Cukor je najbežnejším substrátom fermentácie, pri ktorej vznikajú produkty ako kyselina mliečna, laktóza, etanol a vodík. Pri alkoholovej fermentácii sa fermentáciou vyrába etanol – najmä na použitie ako palivo, ale aj na výrobu alkoholických nápojov. Keď určité kmene kvasiniek, ako napríklad Saccharomyces cerevisiae metabolizujú cukor, bunky kvasiniek premieňajú východiskový materiál na etanol a oxid uhličitý.

Nasledujúce chemické rovnice sumarizujú túto premenu:

Pri bežnej výrobe bioetanolu sa cukor fermentáciou premieňa na kyselinu mliečnu, laktózu, etanol a vodík.

Chemické rovnice sumarizujú premenu na bioetanol.

Ak je východiskovým materiálom škrob, napr. z kukurice, musí sa najprv premeniť na cukor. Pri bioetanole používanom ako palivo je na premenu škrobu potrebná hydrolýza. Hydrolýza sa zvyčajne urýchľuje pôsobením kyselín alebo enzýmov či kombináciou oboch. Fermentácia sa bežne uskutočňuje pri teplote približne 35–40 °C.
Prehľad rôznych fermentačných procesov:

Potraviny :

  • výroba & konzervovanie
  • mliečne výrobky (mliečne kvasenie), napr. jogurt, cmar, kefír
  • mliečne kvasená zelenina, napr. kimči, miso, natto, cukemono, kyslá kapusta
  • tvorba aromatických látok, napr. sójová omáčka
  • rozklad trieslovín, napr. čaj, kakao, káva, tabak
  • alkoholické nápoje, napr. pivo, víno, whisky

Liečivá :

  • výroba liečivých látok, napr. inzulín, kyselina hyalurónová

Bioplyn/ Etanol :

  • zlepšenie výroby bioplynu/ bioetanolu

Rôzne výskumné práce a skúšky v stolovom laboratórnom a poloprevádzkovom meradle ukázali, že ultrazvuk zlepšuje proces fermentácie tým, že sprístupňuje viac biomasy na enzymatickú fermentáciu. V nasledujúcej časti budú podrobnejšie vysvetlené účinky ultrazvuku v kvapaline.

Ultrazvukové reaktory zvyšujú výťažok bionafty a účinnosť spracovania!

Bioetanol možno vyrábať zo slnečnicových stoniek, kukurice, cukrovej trstiny atď.

Účinky ultrazvukového spracovania kvapalín

Pomocou vysokovýkonného/ nízkofrekvenčného ultrazvuku možno vytvárať vysoké amplitúdy. Vysokovýkonný/ nízkofrekvenčný ultrazvuk sa preto môže používať na spracovanie kvapalín, napríklad na miešanie, emulgovanie, dispergovanie a deaglomeráciu alebo mletie.
Pri sonikácii kvapalín s vysokou intenzitou spôsobujú zvukové vlny šíriace sa kvapalným prostredím striedanie vysokotlakových (kompresných) a nízkotlakových (expanzných) cyklov, ktorých frekvencia závisí od frekvencie ultrazvuku. Počas nízkotlakového cyklu vytvárajú ultrazvukové vlny s vysokou intenzitou v kvapaline malé vákuové bubliny alebo dutiny. Keď bubliny dosiahnu objem, pri ktorom už nedokážu absorbovať energiu, počas vysokotlakového cyklu prudko skolabujú. Tento jav sa nazýva kavitácia. Kavitácia, teda „tvorba, rast a implozívny kolaps bublín v kvapaline. Kavitačný kolaps spôsobuje intenzívny lokálny ohrev (~5000 K), vysoké tlaky (~1000 atm) a obrovské rýchlosti ohrevu a ochladzovania (>109 K/sec)“ a prúdy kvapaliny (~400 km/h)“. (Suslick 1998)

Chemická štruktúra etanolu

Štruktúrny vzorec etanolu

Existujú rôzne spôsoby vytvárania kavitácie, napríklad pomocou vysokotlakových dýz, rotorovo-statorových miešačov alebo ultrazvukových procesorov. Vo všetkých týchto systémoch sa vstupná energia premieňa na trenie, turbulencie, vlny a kavitáciu. Podiel vstupnej energie, ktorý sa premieňa na kavitáciu, závisí od viacerých faktorov opisujúcich pohyb zariadenia vytvárajúceho kavitáciu v kvapaline. Intenzita zrýchlenia je jedným z najdôležitejších faktorov ovplyvňujúcich účinnú premenu energie na kavitáciu. Vyššie zrýchlenie vytvára väčšie tlakové rozdiely. To následne zvyšuje pravdepodobnosť vzniku vákuových bublín namiesto vzniku vĺn šíriacich sa kvapalinou. Čím je teda zrýchlenie vyššie, tým väčší podiel energie sa premieňa na kavitáciu.
V prípade ultrazvukového meniča opisuje amplitúda kmitania intenzitu zrýchlenia. Vyššie amplitúdy vedú k účinnejšiemu vytváraniu kavitácie. Okrem intenzity je dôležité aj to, aby sa kvapalina zrýchľovala spôsobom, pri ktorom vznikajú minimálne straty v dôsledku turbulencií, trenia a tvorby vĺn. Optimálny je preto pohyb v jednom smere. Zmenou intenzity a parametrov sonikácie môže ultrazvuk pôsobiť veľmi intenzívne alebo veľmi šetrne. Vďaka tomu je ultrazvuk veľmi všestranným nástrojom pre rôzne aplikácie.
Kompaktné a výkonné ultrazvukové laboratórne zariadenia umožňujú jednoduché testovanie v malom meradle na posúdenie uskutočniteľnosti procesu

Obrázok 1 – ultrazvukový laboratórny prístroj UP100H (100 wattov) na skúšky uskutočniteľnosti

Medzi šetrné aplikácie využívajúce miernu sonikáciu za miernych podmienok patria odplyňovanie, emulgovanie a aktivácia enzýmov. Medzi intenzívne aplikácie využívajúce ultrazvuk s vysokou intenzitou/vysokým výkonom (väčšinou pri zvýšenom tlaku) patria mokré mletie, deaglomerácia a zmenšovanie veľkosti častíc a dispergovanie. Pri mnohých aplikáciách, ako sú extrakcia, dezintegrácia alebo sonochémia, závisí požadovaná intenzita ultrazvuku od konkrétneho materiálu určeného na sonikáciu. Vďaka rozmanitým parametrom, ktoré možno prispôsobiť jednotlivým procesom, umožňuje ultrazvuk nájsť optimálne podmienky pre každý jednotlivý proces.
Okrem vynikajúcej premeny výkonu ponúka sonikácia veľkú výhodu úplnej kontroly nad najdôležitejšími parametrami: amplitúdou, tlakom, teplotou, viskozitou a koncentráciou. To umožňuje upraviť všetky tieto parametre s cieľom nájsť ideálne parametre spracovania pre každý konkrétny materiál. Výsledkom je vyššia efektívnosť aj optimalizovaná účinnosť.

Ultrazvuk na zlepšenie fermentačných procesov vysvetlený na príklade výroby bioetanolu

Bioetanol je produktom rozkladu biomasy alebo biologicky rozložiteľnej zložky odpadu anaeróbnymi alebo aeróbnymi baktériami. Vyrobený etanol sa používa najmä ako biopalivo.  Vďaka tomu je bioetanol obnoviteľnou a ekologickou alternatívou k fosílnym palivám, ako je zemný plyn.
Na výrobu etanolu z biomasy možno ako vstupnú surovinu použiť cukor, škrob a lignocelulózový materiál. Pri výrobe v priemyselnom meradle v súčasnosti prevládajú cukor a škrob, pretože sú ekonomicky výhodné.
To, ako ultrazvuk zlepšuje proces prispôsobený konkrétnemu zákazníkovi s konkrétnou vstupnou surovinou za daných podmienok, možno veľmi jednoducho overiť skúškami uskutočniteľnosti. V prvom kroku sonikácia malého množstva suspenzie suroviny pomocou ultrazvukového laboratórneho prístroja ukáže, či ultrazvuk ovplyvňuje vstupnú surovinu.

Skúšky uskutočniteľnosti

V prvej fáze testovania je vhodné vniesť relatívne veľké množstvo ultrazvukovej energie do malého objemu kvapaliny, pretože sa tým zvyšuje šanca zistiť, či možno dosiahnuť nejaké výsledky. Malý objem vzorky tiež skracuje čas používania laboratórneho zariadenia a znižuje náklady na prvé skúšky.
Ultrazvukové vlny sa prenášajú do kvapaliny povrchom sonotródy. Pod povrchom sonotródy je intenzita ultrazvuku najvyššia. Preto sa uprednostňujú krátke vzdialenosti medzi sonotródou a sonikovaným materiálom. Pri pôsobení na malý objem kvapaliny možno udržať krátku vzdialenosť od sonotródy.
Nasledujúca tabuľka uvádza typické hodnoty energie na objem pri sonikačných procesoch po optimalizácii. Keďže prvé skúšky nebudú prebiehať pri optimálnej konfigurácii, intenzita a čas sonikácie na úrovni 10- až 50-násobku typickej hodnoty ukážu, či má sonikácia na materiál nejaký účinok.

Proces

Energia/

Objem

Objem vzorky

Výkon

Čas

Jednoduchý

< 100Ws/mL

10mL

50W

< 20 sec

Stredne náročný

100Ws/mL až 500Ws/mL

10mL

50W

20 až 100 sec

Náročný

> 500Ws/mL

10mL

50W

>100 sec

Tabuľka 1 – Typické hodnoty sonikácie po optimalizácii procesu

Skutočný príkon pri skúšobných behoch možno zaznamenávať pomocou integrovaného záznamu údajov (UP200Ht a UP200St), rozhrania pre PC alebo wattmetra. V kombinácii so zaznamenanými údajmi o nastavení amplitúdy a teplote možno vyhodnotiť výsledky každej skúšky a stanoviť východiskovú hodnotu energie na objem.
Ak sa počas skúšok zvolila optimálna konfigurácia, jej výkonnosť by sa mohla overiť v kroku optimalizácie a napokon by sa proces mohol previesť do komerčnej mierky. Na uľahčenie optimalizácie sa dôrazne odporúča preskúmať aj limity sonikácie, napr. teplotu, amplitúdu alebo energiu na objem pre konkrétne zloženia. Keďže ultrazvuk by mohol mať negatívne účinky na bunky, chemické látky alebo častice, treba preskúmať kritické úrovne každého parametra, aby sa následná optimalizácia obmedzila na rozsah parametrov, v ktorom sa negatívne účinky nepozorujú. Na štúdiu uskutočniteľnosti sa odporúčajú malé laboratórne alebo stolové zariadenia, aby sa pri takýchto skúškach obmedzili náklady na vybavenie a vzorky. Zariadenia s výkonom 100 až 1 000 wattov vo všeobecnosti veľmi dobre vyhovujú potrebám štúdie uskutočniteľnosti. (porov. Hielscher 2005)

Ultrazvukové procesy sa dajú jednoducho optimalizovať a prenášať do väčšieho meradla. Vďaka tomu predstavuje ultrazvukové spracovanie veľmi perspektívnu alternatívu k vysokotlakovým homogenizátorom, perlovým a guľôčkovým mlynom alebo trojvalcovým mlynom.

Tabuľka 1 – Typické hodnoty sonikácie po optimalizácii procesu

Optimalizácia

Výsledky dosiahnuté počas štúdií uskutočniteľnosti môžu poukazovať na pomerne vysokú spotrebu energie vzhľadom na malý spracovaný objem. Účelom skúšky uskutočniteľnosti je však predovšetkým preukázať účinky ultrazvuku na materiál. Ak sa pri testovaní uskutočniteľnosti prejavili pozitívne účinky, treba vynaložiť ďalšie úsilie na optimalizáciu pomeru energie k objemu. To znamená preskúmať ideálnu konfiguráciu parametrov ultrazvuku na dosiahnutie najvyššieho výťažku pri čo najnižšej spotrebe energie, aby bol proces ekonomicky čo najrozumnejší a najefektívnejší. Na nájdenie optimálnej konfigurácie parametrov – dosiahnutie zamýšľaných prínosov s minimálnym prísunom energie – treba preskúmať vzájomnú súvislosť medzi najdôležitejšími parametrami amplitúdou, tlakom, teplotou a zložením kvapaliny. V tomto druhom kroku sa odporúča prejsť z dávkovej sonikácie na kontinuálnu sonikačnú zostavu s prietokovým reaktorom, pretože pri dávkovej sonikácii nemožno ovplyvňovať dôležitý parameter tlaku. Pri sonikácii v dávke je tlak obmedzený na tlak okolitého prostredia. Ak sonikačný proces prebieha v tlakovej prietokovej komore, tlak možno zvýšiť (alebo znížiť), čo vo všeobecnosti ovplyvňuje ultrazvukovú kavitáciu zásadným spôsobom. Pomocou prietokovej komory možno určiť súvislosť medzi tlakom a účinnosťou procesu. Na optimalizáciu procesu sú najvhodnejšie ultrazvukové procesory s výkonom od 500 wattov do 2000 wattov .

Plne ovládateľné ultrazvukové zariadenia umožňujú optimalizáciu procesu a úplne lineárny prenos do väčšieho meradla

Obrázok 2 – Vývojový diagram optimalizácie ultrazvukového procesu

Prechod do mierky komerčnej výroby

Ak sa nájde optimálna konfigurácia, ďalšie zväčšovanie výrobného meradla je jednoduché, pretože ultrazvukové procesy sú plne reprodukovateľné pri lineárnom zväčšovaní meradla. To znamená, že keď sa ultrazvuk aplikuje na kvapalinu s identickým zložením pri identickej konfigurácii parametrov spracovania, na dosiahnutie identického výsledku je potrebná rovnaká energia na jednotku objemu bez ohľadu na meradlo spracovania. (Hielscher 2005). To umožňuje uplatniť optimálnu konfiguráciu parametrov ultrazvuku vo výrobe v plnom rozsahu. Objem, ktorý možno spracovať ultrazvukom, je prakticky neobmedzený. Dostupné sú komerčné ultrazvukové systémy s výkonom až 16 000 wattov na jednotku, ktoré možno inštalovať v zostavách. Takéto zostavy ultrazvukových procesorov možno inštalovať paralelne alebo sériovo. Inštaláciou vysokovýkonných ultrazvukových procesorov do zostáv je celkový výkon takmer neobmedzený, takže možno bez problémov spracúvať prúdy s veľkým objemovým prietokom. Aj keď je potrebné prispôsobiť ultrazvukový systém, napr. upraviť parametre pre kvapalinu so zmeneným zložením, väčšinou to možno vykonať výmenou sonotródy, zosilňovača amplitúdy alebo prietokovej komory. Lineárna škálovateľnosť, reprodukovateľnosť a prispôsobiteľnosť ultrazvuku robia túto inovatívnu technológiu účinnou a nákladovo efektívnou.

Ultrazvukové zariadenie s výkonom 16kW na priemyselné spracovanie veľkých objemových prúdov, napr. pri spracovaní bionafty, bioetanolu, nanočastíc a v mnohých ďalších aplikáciách.

Obrázok 3 – Priemyselný ultrazvukový procesor UIP16000 s výkonom 16 000 wattov

Parametre ultrazvukového spracovania

Ultrazvukové spracovanie kvapalín opisuje viacero parametrov. Najdôležitejšie sú amplitúda, tlak, teplota, viskozita a koncentrácia. Výsledok procesu, napríklad veľkosť častíc, je pri danej konfigurácii parametrov funkciou energie na jednotku spracovaného objemu. Táto funkcia sa mení so zmenami jednotlivých parametrov. Okrem toho od parametrov závisí aj skutočný výstupný výkon na jednotku plochy povrchu sonotródy ultrazvukového zariadenia. Výstupný výkon na jednotku plochy povrchu sonotródy predstavuje povrchovú intenzitu (I). Povrchová intenzita závisí od amplitúdy (A), tlaku (p), objemu reaktora (VR), teploty (T), viskozity (η) a ďalších parametrov.

Medzi najdôležitejšie parametre ultrazvukového spracovania patria amplitúda (A), tlak (p), objem reaktora (VR), teplota (T) a viskozita (η).

Kavitačný účinok ultrazvukového spracovania závisí od povrchovej intenzity, ktorú opisujú amplitúda (A), tlak (p), objem reaktora (VR), teplota (T), viskozita (η) a ďalšie parametre. Znamienka plus a mínus označujú kladný alebo záporný vplyv konkrétneho parametra na intenzitu sonikácie.

Účinok vytvorenej kavitácie závisí od povrchovej intenzity. Rovnakú závislosť vykazuje aj výsledok procesu. Celkový výstupný výkon ultrazvukového zariadenia je súčinom povrchovej intenzity (I) a plochy povrchu (S):

P [W] I [W / mm²]* S[mm²]

Amplitúda

Amplitúda kmitania opisuje dráhu (napr. 50 µm), ktorú povrch sonotródy prejde za daný čas (napr. 1/20 000s pri 20kHz). Čím väčšia je amplitúda, tým vyššia je rýchlosť poklesu a nárastu tlaku pri každom kmitnutí. Okrem toho sa pri každom kmitnutí zväčšuje vytlačený objem, čo vedie k väčšiemu kavitačnému objemu (veľkosti a/alebo počtu bublín). Pri pôsobení na disperzie majú vyššie amplitúdy väčší deštruktívny účinok na pevné častice. Tabuľka 1 uvádza všeobecné hodnoty pre niektoré ultrazvukové procesy.

Amplitúda ultrazvuku je dôležitým procesným parametrom.

Tabuľka 2 – Všeobecné odporúčania pre amplitúdy

Tlak

Teplota varu kvapaliny závisí od tlaku. Čím vyšší je tlak, tým vyššia je teplota varu a naopak. Zvýšený tlak umožňuje kavitáciu pri teplotách blízkych teplote varu alebo vyšších. Zvyšuje aj intenzitu implózie, ktorá súvisí s rozdielom medzi statickým tlakom a tlakom pár vo vnútri bubliny (porov. Vercet et al. 1999). Keďže sa ultrazvukový výkon a intenzita pri zmenách tlaku rýchlo menia, vhodnejšie je čerpadlo s konštantným tlakom. Pri privádzaní kvapaliny do prietokovej cely by čerpadlo malo byť schopné zabezpečiť požadovaný prietok kvapaliny pri vhodných tlakoch. Diafragmové alebo membránové čerpadlá; čerpadlá s pružnou trubicou, hadicové alebo stláčacie čerpadlá; peristaltické čerpadlá; alebo piestové či plunžerové čerpadlá vytvárajú striedavé kolísanie tlaku. Uprednostňujú sa odstredivé čerpadlá, zubové čerpadlá, špirálové čerpadlá a vretenové čerpadlá s progresívnou dutinou, ktoré privádzajú kvapalinu určenú na sonikáciu pri nepretržite stabilnom tlaku. (Hielscher 2005)

Teplota

Pri sonikácii kvapaliny sa do média prenáša výkon. Keďže ultrazvukom vytvárané kmitanie spôsobuje turbulencie a trenie, sonikovaná kvapalina sa v súlade s termodynamickým zákonom zahrieva. Zvýšené teploty spracovávaného média môžu poškodzovať materiál a znižovať účinnosť ultrazvukovej kavitácie. Inovatívne ultrazvukové prietokové cely sú vybavené chladiacim plášťom (pozri obrázok). Tým sa zabezpečuje presná regulácia teploty materiálu počas ultrazvukového spracovania. Pri sonikácii menších objemov v kadičke sa na odvádzanie tepla odporúča ľadový kúpeľ.

Obrázok 3 – Ultrazvukový menič UIP1000hd (1000 wattov) s prietokovou celou vybavenou chladiacim plášťom – typické vybavenie na optimalizačné kroky alebo výrobu v malom meradle

Obrázok 3 – Ultrazvukový menič UIP1000hd (1000 wattov) s prietokovou celou vybavenou chladiacim plášťom – typické vybavenie na optimalizačné kroky alebo výrobu v malom rozsahu

Viskozita a koncentrácia

Ultrazvukové mletie a dispergovanie sú procesy prebiehajúce v kvapaline. Častice musia byť v suspenzii, napr. vo vode, oleji, rozpúšťadlách alebo živiciach. Použitie ultrazvukových prietokových systémov umožňuje sonikovať veľmi viskózny, pastovitý materiál.
Vysokovýkonný ultrazvukový procesor môže pracovať pri pomerne vysokých koncentráciách tuhých látok. Vysoká koncentrácia zabezpečuje účinnosť ultrazvukového spracovania, pretože účinok ultrazvukového mletia je spôsobený zrážkami medzi časticami. Výskumy ukázali, že rýchlosť rozrušovania častíc oxidu kremičitého nezávisí od koncentrácie tuhých látok až do 50% hmotnostných. Spracovanie predzmesí s vysokým podielom materiálu je bežným výrobným postupom využívajúcim sonikáciu.

Výkon a intenzita v porovnaní s energiou

Povrchová intenzita a celkový výkon opisujú iba intenzitu spracovania. Pri opise sonikačného procesu je potrebné zohľadniť objem sonikovanej vzorky a čas pôsobenia pri určitej intenzite, aby bolo možné proces prenášať do väčšej mierky a reprodukovať. Pri danej konfigurácii parametrov bude výsledok procesu, napr. veľkosť častíc alebo chemická konverzia, závisieť od energie na jednotku objemu (E/V).

Výsledok = f (E /V )

Energia (E) je pritom súčinom výstupného výkonu (P) a času pôsobenia (t).

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

Zmeny v konfigurácii parametrov zmenia funkciu výsledku. Tým sa zmení množstvo energie (E) potrebné pri danej hodnote vzorky (V) na dosiahnutie konkrétnej hodnoty výsledku. Z tohto dôvodu nestačí na dosiahnutie výsledku použiť v procese určitý ultrazvukový výkon. Na určenie požadovaného výkonu a konfigurácie parametrov, pri ktorej sa má výkon privádzať do spracovávaného materiálu, je potrebný prepracovanejší prístup. (Hielscher 2005)

Výroba bioetanolu podporovaná ultrazvukom

Je už známe, že ultrazvuk zlepšuje výrobu bioetanolu. Odporúča sa zahustiť kvapalinu biomasou na vysoko viskóznu suspenziu, ktorú je ešte možné čerpať. Ultrazvukové reaktory dokážu spracovať pomerne vysoké koncentrácie pevných látok, takže proces sonikácie môže prebiehať najefektívnejšie. Čím viac materiálu suspenzia obsahuje, tým menej sa bude spracúvať nosnej kvapaliny, ktorá zo sonikácie nemá úžitok. Keďže prívod energie do kvapaliny spôsobuje podľa termodynamického zákona jej zahrievanie, znamená to, že ultrazvuková energia sa v čo najväčšej miere využíva na cieľový materiál. Takýmto efektívnym návrhom procesu sa predchádza zbytočnému zahrievaniu nadbytočnej nosnej kvapaliny.
Ultrazvuk podporuje extrakciu vnútrobunkového materiálu, čím ho sprístupňuje na enzymatickú fermentáciu. Mierne ultrazvukové ošetrenie môže zvýšiť enzymatickú aktivitu, ale na extrakciu biomasy bude potrebný intenzívnejší ultrazvuk. Enzýmy by sa preto mali do suspenzie biomasy pridávať až po sonikácii, pretože intenzívny ultrazvuk enzýmy inaktivuje, čo je nežiaduci účinok.

Aktuálne výsledky dosiahnuté vedeckým výskumom:

Štúdie Yoswathana et al. (2010) týkajúce sa výroby bioetanolu z ryžovej slamy ukázali, že kombinácia kyslej predúpravy a ultrazvukového ošetrenia pred enzymatickým ošetrením vedie k zvýšenému výťažku cukru až na 44% (vztiahnuté na ryžovú slamu). To poukazuje na účinnosť kombinácie fyzikálnej a chemickej predúpravy pred enzymatickou hydrolýzou lignocelulózového materiálu na cukor. 

Graf 2 znázorňuje pozitívne účinky pôsobenia ultrazvuku pri výrobe bioetanolu z ryžovej slamy. (Na detoxikáciu vzoriek po kyslej/enzymatickej predúprave a ultrazvukovej predúprave sa použilo drevné uhlie.)

Ultrazvukom podporovaná fermentácia vedie k výrazne vyššiemu výťažku etanolu. Bioetanol bol vyrobený z ryžovej slamy.

Graf 2 – Zvýšenie výťažku etanolu počas fermentácie pomocou ultrazvuku (Yoswathana et al. 2010)

V ďalšej nedávnej štúdii sa skúmal vplyv sonikácie na extracelulárne a intracelulárne hladiny enzýmu β-galaktozidázy. Sulaiman et al. (2011) dokázali výrazne zvýšiť produktivitu výroby bioetanolu použitím ultrazvuku pri regulovanej teplote, ktorý stimuloval rast kvasiniek Kluyveromyces marxianus (ATCC 46537). Autori článku konštatujú, že prerušovaná sonikácia výkonným ultrazvukom (20 kHz) pri pracovných cykloch ≤20% stimulovala tvorbu biomasy, metabolizmus laktózy a produkciu etanolu u K. marxianus pri pomerne vysokej intenzite sonikácie 11,8Wcm−2. Za najlepších podmienok sonikácia zvýšila konečnú koncentráciu etanolu takmer 3,5-násobne v porovnaní s kontrolou. To zodpovedalo 3,5-násobnému zvýšeniu produktivity výroby etanolu, vyžadovalo si to však dodatočný príkon 952W na meter kubický kultivačného média prostredníctvom sonikácie. Táto dodatočná energetická požiadavka bola jednoznačne v rámci prijateľných prevádzkových noriem pre bioreaktory a pri produktoch s vysokou hodnotou ju bolo možné ľahko kompenzovať zvýšenou produktivitou.

Záver: Výhody ultrazvukom podporovanej fermentácie

Ultrazvukové ošetrenie sa osvedčilo ako účinná a inovatívna technika na zvýšenie výťažku bioetanolu. Ultrazvuk sa používa predovšetkým na extrakciu vnútrobunkového materiálu z biomasy, ako je kukurica, sója, slama, lignocelulózový materiál alebo rastlinný odpad.

  • Zvýšenie výťažku bioetanolu
  • Dezintegrácia/rozrušenie buniek a uvoľnenie vnútrobunkového materiálu
  • Zlepšenie anaeróbneho rozkladu
  • Aktivácia enzýmov miernou sonikáciou
  • Zlepšenie efektívnosti procesu použitím suspenzií s vysokou koncentráciou

Jednoduché testovanie, reprodukovateľné zväčšovanie mierky a jednoduchá inštalácia (aj do už existujúcich výrobných tokov) robia z ultrazvuku rentabilnú a efektívnu technológiu. K dispozícii sú spoľahlivé priemyselné ultrazvukové procesory na komerčné spracovanie, ktoré umožňujú sonikáciu prakticky neobmedzených objemov kvapalín.

UIP1000hd Stolový ultrazvukový homogenizátor

Obrázok 4 – Zostava s 1000W ultrazvukovým procesorom UIP1000hd, prietokovou celou, nádržou a čerpadlom

Kontaktujte nás! / Opýtajte sa nás!

Požiadajte o ďalšie informácie

Použite formulár nižšie a vyžiadajte si ďalšie informácie o ultrazvukových procesoroch, fermentácii bioetanolu podporovanej ultrazvukom a cene. Radi s vami prediskutujeme váš proces výroby bioetanolu a ponúkneme vám sonikátor, ktorý zlepší váš proces!





Literatúra/Referencie


Radi s vami preberieme váš proces.

✕