Kvasenie

Fermentácia môže byť aeróbne (= oxidatívne kvasenie) alebo anaeróbny proces, ktorý sa používa pre biotechnologické aplikácie na konverziu organického materiálu bakteriálnymi, hubovými alebo inými biologickými bunkami kultúr alebo enzýmami. Fermentáciou sa energia extrahuje z oxidácie organických zlúčenín, napríklad sacharidov.

Cukor je najčastejším substrátom kvasenia, čo vedie po fermentácii v produktoch, ako je kyselina mliečna, laktóza, etanol a vodík. Na alkoholické kvasenie, etanol – najmä na použitie ako palivo, ale aj pre alkoholické nápoje – sa vyrába fermentáciou. Keď niektoré kmene kvasiniek, ako sú Sacharomyces cerevisiae metabolizovať cukor, kvasinky bunky premieňajú východiskový materiál na etanol a oxid uhličitý.

Chemické rovnice nižšie sumarizuje konverziu:

Ak je východiskový materiál škrob, napríklad z kukurice, najprv sa musí škrob premeniť na cukor. Pre bioetanol používaný ako palivo sa vyžaduje hydrolýza pre konverziu škrobu. Typicky, hydrolýza je zrýchlil kyslé alebo enzymatické ošetrenie alebo kombináciou oboch. Za normálnych okolností sa fermentácia vykonáva pri teplote okolo 35 – 40 ° c.
Prehľad rôznych fermentačných procesov:

Potravín:

• výroba & Zachovanie
• mliečne výrobky (kyselina mliečna kvasenie), napr jogurt, Cmar, kefír
• mliečna fermentovaná zelenina, napríklad kimchi, miso, natto, tsukemono, kapusta
• vývoj aromatických látok, napr sójová omáčka
• rozkladu opaľovacích agentov, napríklad čaj, kakao, káva, tabak
• alkoholické nápoje, napríklad pivo, víno, whisky

Lieky:

• Výroba lekárskych zlúčenín, napríklad inzulín, Kyselina hyalurónová

Bioplyn/etanol:

• zlepšenie výroby bioplynu/bioetanolu

Rôzne výskumné papiere a testy v lavičke-top a pilotné veľkosti ukázali, že ultrazvuk zlepšuje proces fermentácie tým, že viac biomasy k dispozícii pre enzymatické kvasenie. V nasledujúcej časti sa vypracujú účinky ultrazvuku v kvapaline.

Účinky ultrazvukového kvapalného spracovania

Vysoko-výkon/nízkofrekvenčné ultrazvuk vysoké amplitúdy môžu byť generované. Tým, high-výkon/nízkofrekvenčné ultrazvuk môže byť použitý pre spracovanie kvapalín, ako je miešanie, emulgačné, rozptyľuje a deagglomeration, alebo frézovanie.
Pri sonicating kvapaliny s vysokou intenzitou, zvukové vlny, ktoré šíria do kvapalných médií za následok striedavý vysokotlakové (kompresia) a nízkotlakové (rarefaction) cykly, s mierou v závislosti na frekvencii. Počas nízkotlakového cyklu, High-intenzita ultrazvukových vĺn vytvoriť malé vákuové bubliny alebo dutín v kvapaline. Keď bubliny dosiahnuť objemu, na ktorom už nemôžu absorbovať energiu, sa zrúti násilne počas vysokého tlaku cyklu. Tento jav sa nazýva Kavitácia. kavitáciato je “vznik, rast a implozívny kolaps bublín v kvapaline. Cavitational kolaps produkuje intenzívne miestne vykurovanie (~ 5000 K), vysoké tlaky (~ 1000 ATM), a obrovské vykurovanie a chladenie sadzby (>109 K / s)” a kvapalných prúdových prúdov (~ 400 km/h) ". (Suslick 1998)

Existujú rôzne prostriedky na vytvorenie kavitácie, ako napríklad vysokotlakové trysky, rotor-stator miešačky, alebo ultrazvukové procesory. Vo všetkých týchto systémoch je vstupná energia transformovaná na trenie, turbulencie, vlny a kavitácie. Zlomok vstupnej energie, ktorá je transformovaná do kavitácie závisí od niekoľkých faktorov popisujúcich pohyb kavitácie generovanie zariadenia v kvapaline. Intenzita akcelerácie je jedným z najdôležitejších faktorov ovplyvňujúcich efektívnu transformáciu energie na kavitáciu. Vyššie zrýchlenie vytvára vyššie tlakové rozdiely. To zase zvyšuje pravdepodobnosť vzniku vákuových bublín namiesto vytvárania vĺn rozmnožovacie cez kvapaliny. To znamená, že čím vyššia je zrýchlenie je zlomok energie, ktorá je transformovaná do kavitácie.
V prípade ultrazvukového snímača sa amplitúda oscilácie opisuje intenzita zrýchlenia. Vyššia amplitúdy viesť k efektívnejšiemu vytváraniu kavitácie. Okrem intenzity by sa kvapalina mala urýchliť tak, aby sa vytvorili minimálne straty z hľadiska turbulencií, trenia a tvorby vĺn. Pre tento, optimálny spôsob je jednostranný smer pohybu. Zmena intenzity a parametrov ultrazvukom procesu, ultrazvuk môže byť veľmi tvrdé alebo veľmi mäkké. To robí ultrazvuk veľmi všestranný nástroj pre rôzne aplikácie.

Mäkké aplikácie, použitie miernej ultrazvukom za miernych podmienok, patrí odplynenie, emulgačnýa aktivácia enzýmu. Tvrdé aplikácie s vysokou intenzitou/vysokým výkonom ultrazvuk (väčšinou pod zvýšeným tlakom) sú mletie za mokra, rozdružovanie & zmenšenie veľkosti častíc a dispergačné. Pre mnoho aplikácií, ako sú ťažba, dezintegrácie alebo Sonochemistry, požadovaná ultrazvuková intenzita závisí od konkrétneho materiálu, ktorý sa má sonicated. Podľa rôznych parametrov, ktoré môžu byť prispôsobené na individuálny proces, ultrazvuk umožňuje nájdenie sladké miesto pre každý jednotlivý proces.
Okrem vynikajúcu moc konverzie, ultrazvukom ponúka veľkú výhodu plnú kontrolu nad najdôležitejšie parametre: amplitúda, tlak, teplota, viskozita, a koncentrácia. To ponúka možnosť upraviť všetky tieto parametre s cieľom nájsť ideálne parametre spracovania pre každý konkrétny materiál. To má za následok vyššiu účinnosť, rovnako ako v optimalizovanej efektívnosti.

Ultrazvuk na zlepšenie fermentačných procesov, vysvetlil príkladne s výrobou bioetanolu

Bioetanol je produktom rozkladu biomasy alebo biologicky rozložiteľných látok z odpadu anaeróbnymi alebo aeróbnymi baktériami. Vyrábaný etanol sa používa hlavne ako biopalivo. To je bioetanol obnoviteľné a ekologicky šetrné alternatíva pre fosílne palivá, ako je zemný plyn.
Na výrobu etanolu z biomasy, cukor, škrob, a lignocelulózový materiál môže byť použitý ako surovina. Pre priemyselnú výrobu veľkosti, cukor a škrob sú v súčasnosti prevažujú, pretože sú ekonomicky priaznivé.
Ako ultrazvuk zlepšuje zákazník-individuálny proces s konkrétnymi východiskových surovín za daných podmienok možno vyskúšať veľmi jednoduché testy uskutočniteľnosti. V prvom kroku sa ultrazvukom malého množstva suroviny kalu s ultrazvukovou laboratórne zariadenie ukáže, ak ultrazvuk nemá vplyv na suroviny.

Testovanie uskutočniteľnosti

V prvej testovacej fáze je vhodné zaviesť relatívne vysoké množstvo ultrazvukovej energie do malého objemu kvapaliny, čím sa zvyšuje šanca, či je možné získať akékoľvek výsledky. Malý objem vzorky tiež skracuje čas pomocou laboratórneho zariadenia a znižuje náklady na prvé testy.
Ultrazvukové vlny sú prenášané sonotrode povrch do kvapaliny. Beneth sonotrode povrchu, ultrazvuk intenzita je najintenzívnejší. Tým, krátke vzdialenosti medzi sonotrode a sonicated materiálu sú preferované. Keď je vystavený malý objem kvapaliny, vzdialenosť od sonotrode môžu byť uchovávané krátke.
Nižšie uvedená tabuľka ukazuje typické množstvo energie/objemu pre ultrazvukom procesy po optimalizácii. Vzhľadom k tomu, že prvé pokusy nebude bežať na optimálnu konfiguráciu, ultrazvukom intenzity a času o 10 až 50 krát typické hodnoty ukáže, či existuje nejaký vplyv na sonicated materiálu, alebo nie.

proces	Energie objem	Vzorka zväzok	Napájania	čas
Jednoduché	< 100Ws/mL	10mL	50W	< 20 sekúnd
Stredné	100Ws/mL až 500Ws/mL	10mL	50W	20 až 100 SEC
Pevný	> 500Ws/mL	10mL	50W	>100 SEK

Tabuľka č. 1 – Typické ultrazvukom hodnoty po procese optimalizácie

Skutočný príkon skúšobných jázd sa dá zaznamenať prostredníctvom integrovaného zaznamenávania údajov (UP200Ht a UP200St), PC-Interface alebo powermeter. V kombinácii s zaznamenanými údajmi o nastavení amplitúdy a teplote sa môžu vyhodnotiť výsledky každého pokusu a môže sa stanoviť spodný riadok pre energiu/objem.
Ak počas testov bola vybraná Optimálna konfigurácia, tento konfiguračný výkon by mohol byť overený počas optimalizácie krok a mohol by byť nakoniec zmenšený na komerčnú úroveň. Na uľahčenie optimalizácie sa dôrazne odporúča skúmať medze ultrazvukom, napríklad teplotu, amplitúdu alebo energiu/objem pre špecifické formulácie. Ako ultrazvuk môže generovať negatívne účinky na bunky, chemikálie alebo častice, kritické úrovne pre každý parameter je potrebné skúmať s cieľom obmedziť nasledujúce optimalizácie na rozsah parametrov, kde negatívne účinky nie sú pozorované. Pre štúdiu uskutočniteľnosti sa odporúčajú malé laboratórne alebo lavicové jednotky na obmedzenie nákladov na zariadenia a vzorky v takýchto skúškach. Všeobecne 100 na 1 000 wattov jednotky slúžia účelu štúdie uskutočniteľnosti veľmi dobre. (porovnaj Hielscher 2005)

Optimalizácia

Výsledky dosiahnuté počas štúdií uskutočniteľnosti môžu vykazovať pomerne vysokú spotrebu energie v súvislosti s malým objemom ošetreného. Ale účelom testu uskutočniteľnosti je predovšetkým Ukázať účinky ultrazvuku na materiál. Ak sa pri testovaní uskutočniteľnosti vyskytli pozitívne účinky, je potrebné vyvinúť ďalšie úsilie na optimalizáciu pomeru energie a objemu. To znamená preskúmať ideálnu konfiguráciu ultrazvukových parametrov na dosiahnutie najvyššieho výnosu s použitím menej energie, ktorá je možná, aby bol proces ekonomicky najrozumnejší a efektívnejší. Vyhľadanie optimálnej konfigurácie parametrov – získanie zamýšľaného prínosu s minimálnym energetickým vstupom – korelácia medzi najdôležitejšími parametrami amplitúda, tlak, teplota a Kvapaliny potrebné vyšetriť zloženie. V tomto druhom kroku zmena z dávky ultrazvukom na kontinuálne ultrazvukom nastavenie s tokom buniek reaktora sa odporúča ako dôležitý parameter tlaku nemôže byť ovplyvnený pre dávkové ultrazvukom. Počas sonikácie v dávke je tlak obmedzený na okolitý tlak. Ak proces ultrazvukom prechádza tlakomable prietoková bunka komory, tlak môže byť zvýšená (alebo znížená), ktorý vo všeobecnosti ovplyvňuje ultrazvukové kavitácia Drasticky. Pomocou prietokovej bunky je možné určiť koreláciu medzi tlakom a účinnosťou procesu. Ultrazvukové procesory medzi 500 wattov a 2000 wattov energie sú najvhodnejšie pre optimalizáciu procesu.

Mierka-až do komerčnej výroby

Ak je optimálna konfigurácia bola nájdená, ďalšie mierka-up je jednoduché, ako ultrazvukové procesy sú úplne reprodukovateľné v lineárnom meradle. To znamená, že keď sa ultrazvuk aplikuje na identickú tekutú formuláciu v rámci identickej konfigurácie parametrov spracovania, vyžaduje sa rovnaká energia na objem na získanie zhodného výsledku nezávislého od rozsahu spracovania. (Hielscher 2005). Vďaka tomu je možné implementovať optimálnu konfiguráciu parametrov ultrazvuku na celú veľkosť výrobnej veľkosti. Prakticky, objem, ktorý môže byť spracovaný rozpúšťadle je neobmedzená. Komerčné ultrazvukové systémy s až 16 000 wattov na jednotku sú k dispozícii a môžu byť inštalované v klastroch. Takéto klastre ultrazvukových procesorov môžu byť inštalované paralelne alebo v sériách. Do klastra-múdry inštaláciu vysokovýkonné ultrazvukové procesory, celkový výkon je takmer neobmedzená, takže vysoký objem prúdy môžu byť spracované bez problémov. Aj v prípade, že je potrebná adaptácia ultrazvukového systému, napríklad upraviť parametre modifikovanej tekutej formulácie, môže to byť väčšinou vykonané zmenou sonotrode, Booster alebo prietok bunky. Lineárna škálovateľnosť, reprodukovateľnosť a adaptabilita ultrazvuku robia túto inovatívnu technológiu efektívne a nákladovo efektívne.

Parametre Ultrazvukový spracovanie

Ultrazvukové spracovanie kvapaliny je popísaný radom parametrov. Najdôležitejšie sú amplitúda, tlak, teplota, viskozita, a koncentrácia. Výsledok procesu, napríklad veľkosť častíc, pre danú konfiguráciu parametra je funkciou energie na spracovaný zväzok. Funkcia sa mení s úpravami jednotlivých parametrov. Okrem toho, skutočný výkon na ploche sonotrode ultrazvukové jednotky závisí od parametrov. Výstupný výkon na plochu sonotrode je intenzita povrchu (I). Intenzita povrchu závisí od amplitúdy (A), tlaku (p), objemu reaktora (VR), teploty (T), viskozity (η) a ďalších.

Vplyv generované kavitácie závisí od intenzity povrchu. Rovnakým spôsobom, výsledok procesu koreluje. Celkový výstupný výkon ultrazvukovej jednotky je produktom povrchovej intenzity (I) a povrchovej plochy (S):

P [W] I [W / Mm²]* S[Mm²]

Amplitúdy

Amplitúda oscilácie opisuje spôsob (napr. 50 μm) sonotrode povrch cestuje v danom čase (napr. 1/20, 000s na 20kHz). Čím väčšia amplitúda, tým vyššia je rýchlosť, pri ktorej sa tlak znižuje a zvyšuje pri každom ťahu. Okrem toho sa objem posunutie každého zdvihu zvyšuje, čo vedie k väčšiemu objemu kavitácie (veľkosť bubliny a/alebo číslo). Keď sa aplikuje na disperzie, vyššie amplitúdy vykazujú vyššiu deštruktivitu pevných častíc. Tabuľka 1 zobrazuje všeobecné hodnoty pre niektoré ultrazvukové procesy.

Tlak

Bod varu kvapaliny závisí od tlaku. Čím vyšší je tlak, tým vyššia je bod varu, a zvrátiť. Zvýšený tlak umožňuje kavitácie pri teplotách blízko alebo nad bodom varu. Tiež zvyšuje intenzitu implosion, ktorá súvisí s rozdielom medzi statickým tlakom a tlakom pary vo vnútri bubliny (porovnaj Vercet et al. 1999). Vzhľadom k tomu, Ultrazvukový výkon a intenzita sa rýchlo mení s zmenami tlaku, je vhodnejšie čerpadlo s konštantným tlakom. Pri dodávaní kvapaliny do prietokového bunky by čerpadlo malo byť schopné zvládnuť špecifický prietok kvapaliny pri vhodnom tlaku. Membránové alebo membránové čerpadlá; čerpadlá s pružnou rúrkou, hadicou alebo stláčať; peristaltické čerpadlá; alebo piest alebo piestové čerpadlo vytvorí striedavé kolísanie tlaku. Odstredivé čerpadlá, Prevodové čerpadlá, špirálové čerpadlá, a progresívne dutiny čerpadlá, ktoré dodávajú kvapaliny, ktoré majú byť sonicated na nepretržite stabilný tlak sú preferované. (Hielscher 2005)

teplota

Tým, sonicating kvapaliny, napájanie je prenášaný do média. Ako ultrasonicky generované oscilácia spôsobuje turbulencie a trenie, sonicated kvapalina-v súlade s právom termodynamiky – sa zahriať. Zvýšené teploty spracovaného média môžu byť deštruktívne pre materiál a znížiť účinnosť ultrazvukovej kavitácie. Inovatívne ultrazvukové prietokové bunky sú vybavené chladiacou bundou (pozri obrázok). Tým, že presná kontrola nad materiálom teplota počas ultrazvukového spracovania je uvedený. Pre kadičky ultrazvukom menších objemov sa odporúča ľadová kúpeľ na odvod tepla.

Viskozita a koncentrácia

Ultrazvukové frézovanie a dispergačné sú kvapalné procesy. Častice musia byť v suspenzii, napríklad vo vode, oleji, rozpúšťadlách alebo živíc. Pomocou ultrazvukového prietokového systému, je možné Sonikujte veľmi viskózne, pastovité materiál.
High-výkon Ultrazvukový procesor môže bežať na pomerne vysokej pevných látok koncentrácie. Vysoká koncentrácia poskytuje účinnosť ultrazvukového spracovania, ako Ultrazvukový frézovanie efekt je spôsobený Inter-častíc kolízie. Výskumy ukázali, že miera zlomenia oxidu kremičitého je nezávislá od pevnej koncentrácie až do 50% hmotnosti. Spracovanie kmeňových šarží s vysoko koncentrovaným materiálom je spoločným výrobným postupom používajúci ultrazvukom.

Sila a intenzita vs energie

Intenzita povrchu a celkový výkon popisujú len intenzitu spracovania. Sonicated vzorka objem a čas expozície pri určitej intenzite musia byť považované za opísať ultrazvukom proces, aby bolo škálovateľné a reprodukovateľné. Pre danú konfiguráciu parametrov bude výsledok procesu, napríklad veľkosť častíc alebo chemická Konverzia, závisieť od objemu energie na objem (E/V).

Výsledok = F (E /V )

Ak je energia (E) produktom výstupného výkonu (P) a času vystavenia (t).

E[Ws] = P[W]*T[S]

Zmeny v konfigurácii parametra zmenia funkciu výsledku. To zase bude meniť množstvo energie (E) potrebné pre danú vzorku hodnotu (V) získať konkrétnu hodnotu výsledku. Z tohto dôvodu nestačí nasadiť určitú silu ultrazvuku do procesu získať výsledok. Sofistikovanejší prístup je potrebný na identifikáciu požadovaného výkonu a konfiguráciu parametrov, pri ktorej by mal byť výkon uvedený do procesnej suroviny. (Hielscher 2005)

Rozpúšťadle asistovanej výroby bioetanolu

Je už známe, že ultrazvuk zlepšuje výrobu bioetanolu. Odporúča sa zahustiť kvapalinu s biomasu na vysoko viskózny kal, ktorý je stále pumpovateľný. Ultrazvukové reaktory zvládne pomerne vysoké pevné koncentrácie tak, že ultrazvukom proces môže byť spustený najúčinnejší. Čím viac materiálu je obsiahnutý v hnoj, menej dopravcu kvapaliny, ktorá nebude profitovať z procesu ultrazvukom, bude zaobchádzať. Vzhľadom k tomu, vstup energie do kvapaliny spôsobuje vykurovanie kvapaliny podľa zákona termodynamiky, to znamená, že Ultrazvukový energie sa aplikuje na cieľový materiál, pokiaľ je to možné. Takýmto účinným procesom sa zabráni nehospodárnemu ohrevu prebytočnej nosnej kvapaliny.
Ultrazvuk pomáha ťažba intracelulárneho materiálu, a preto je k dispozícii pre enzymatické kvasenie. Mierna ultrazvuk liečba môže zvýšiť enzymatické aktivity, ale pre ťažbu biomasy intenzívnejší ultrazvuk bude potrebné. Preto, enzýmy by mali byť pridané do biomasy hnoja po ultrazvukom ako intenzívny ultrazvuk inaktivuje enzýmy, čo je nepožadovaný účinok.

Súčasné výsledky dosiahnuté vedeckým výskumom:

Štúdie Yoswathana et al. (2010) týkajúce sa výroby bioetanolu z ryže slamy ukázali, že kombinácia kyseliny predbežnej úpravy a ultrazvukové pred enzymatické ošetrenie viesť k zvýšenému výnosu cukru až 44% (na báze ryže slamy). To ukazuje účinnosť kombinácie fyzikálneho a chemického predo, pred enzymatickou hydrolýzou lignocelulózy materiálu na cukor.

Graf 2 ilustruje pozitívne účinky ultrazvukového ožiarenia počas výroby bioetanolu z ryže slamy graficky. (Uhlie sa používa na detoxikáciu predreprodukovaných vzoriek z kyseliny/enzým predčistenie a ultrazvukové predčistenie.)

V ďalšej nedávnej štúdii sa skúmal vplyv ultrazvukom na extracelulárnu a intracelulárnu hladinu enzýmu β-galaktosidázy. Sulaiman et al. (2011) by mohol zlepšiť produktivitu výroby bioetanolu podstatne, pomocou ultrazvuku pri kontrolovanej teplote stimulujúce rast kvasiniek Kluyveromyces marxianus (ATCC 46537). Autori papiera obnoví, že občasné ultrazvukom s výkonom ultrazvuk (20 kHz) v Duty cykly ≤ 20% stimulovanej výroby biomasy, laktózy metabolizmus a produkciu etanolu v K. marxianus na relatívne vysokej intenzity ultrazvukom 11,8 WCM⁻². Za najlepších podmienok, ultrazvukom zvýšenú konečnú koncentráciu etanolu takmer 3,5-násobne v porovnaní s kontrolou. To korešpondovalo s 3,5-násobne zvýšenie produktivity etanolu, ale vyžaduje 952W dodatočného napájania na meter kubický vývar ultrazvukom. Táto dodatočná požiadavka na energiu bola určite v rámci prijateľných prevádzkových noriem pre bioreaktory a pre výrobky s vysokou hodnotou by mohla byť ľahko kompenzovaná zvýšenou produktivitou.

Záver: výhody z Ultrasonically-asistovanej fermentácie

Ultrazvuková liečba bola preukázaná ako efektívna a inovatívna technika na zvýšenie výťažnosti bioetanolu. Primárne ultrazvuk sa používa na extrahovanie intracelulárneho materiálu z biomasy, ako je kukurica, sójové bôby, slamy, lignocelulózové materiály alebo rastlinné odpadové materiály.

• Zvýšenie výťažnosti bioetanolu
• Disinterácia/bunkové Distruction a uvoľňovanie vnútrobunkového materiálu
• Vylepšený anaeróbny rozklad
• Aktivácia enzýmov miernym ultrazvukom
• Zlepšenie účinnosti procesu vysokými koncentračnými hnojňami

Jednoduché testovanie, reprodukovateľná mierka-up a jednoduchá inštalácia (aj v už existujúcich výrobných prúdov) robí ultrazvukom ziskové a efektívne technológie. Spoľahlivé Priemyselné ultrazvukové procesory pre komerčné spracovanie sú k dispozícii, a aby bolo možné Sonikujte prakticky neobmedzené množstvo kvapalín.