Ultrazvočno podprta fermentacija za proizvodnjo bioetanola

Ultrazvočno podprta fermentacija lahko poveča proizvodnjo bioetanola s spodbujanjem razgradnje kompleksnih ogljikovih hidratov v enostavnejše sladkorje, zaradi česar so lažje dostopni za pretvorbo kvasa v etanol. Hkrati ultrazvočna razbijanje izboljša tudi učinkovitost prepustnosti celične stene kvasovk, kar omogoča hitrejše sproščanje etanola in povečano celotno proizvodnjo. S tem ultrazvočno podprta fermentacija bioetanola povzroči višje stopnje pretvorbe in povečane donose.

vrenje

Fermentacija je lahko aerobni (= oksidativna fermentacija) ali anaerobni proces, ki se uporablja za biotehnološke aplikacije za pretvorbo organskega materiala z bakterijskimi, glivičnimi ali drugimi biološkimi celičnimi kulturami ali encimi. S fermentacijo se energija pridobiva iz oksidacije organskih spojin, npr. ogljikovih hidratov.
Sladkor je najpogostejši substrat fermentacije, ki nastane po fermentaciji v proizvodih, kot so mlečna kislina, laktoza, etanol in vodik. Za alkoholno fermentacijo, etanol – zlasti za uporabo kot gorivo, pa tudi za alkoholne pijače – proizvaja s fermentacijo. Kadar so nekateri sevi kvasovk, kot so Saccharomyces cerevisiae presnavljajo sladkor, celice kvasovk pretvorijo vhodno snov v etanol in ogljikov dioksid.

Spodnje kemijske enačbe povzemajo pretvorbo:

Če je vhodna snov škrob, npr. iz koruze, je treba škrob najprej pretvoriti v sladkor. Za bioetanol, ki se uporablja kot gorivo, je potrebna hidroliza za pretvorbo škroba. Običajno se hidroliza pospeši s kislo ali encimsko obdelavo ali s kombinacijo obeh. Običajno se fermentacija izvaja pri približno 35–40 °C.
Pregled različnih fermentacijskih procesov:

Hrana:

• proizvodnja & Ohranjanje
• mlečni izdelki (mlečnokislinska fermentacija), npr. jogurt, pinjenec, kefir
• mlečno fermentirano zelenjavo, npr. kimchi, miso, natto, tsukemono, kislo zelje
• razvoj aromatov, npr. sojine omake
• razgradnja strojil, npr. čaja, kakava, kave, tobaka
• alkoholne pijače, npr. pivo, vino, viski

Droge:

• proizvodnja medicinskih spojin, npr. insulina, hialuronske kisline

Bioplin / etanol:

• izboljšanje proizvodnje bioplina/bioetanola

Različni raziskovalni članki in testi v velikosti na klopi in pilotni velikosti so pokazali, da ultrazvok izboljša proces fermentacije, tako da je na voljo več biomase za encimsko fermentacijo. V naslednjem poglavju bodo podrobneje opisani učinki ultrazvoka v tekočini.

Učinki ultrazvočne obdelave tekočin

Z visoko močnim / nizkofrekvenčnim ultrazvokom lahko nastanejo visoke amplitude. Tako se lahko ultrazvok visoke moči / nizke frekvence uporablja za obdelavo tekočin, kot so mešanje, emulgiranje, razprševanje in deaglomeracija ali mletje.
Pri ultrazvočnih tekočinah pri visokih intenzivnostih zvočni valovi, ki se širijo v tekoče medije, povzročijo izmenične cikle visokega tlaka (stiskanje) in nizkega tlaka (redčenje), s hitrostmi, ki so odvisne od frekvence. Med nizkotlačnim ciklom ultrazvočni valovi visoke intenzivnosti ustvarjajo majhne vakuumske mehurčke ali praznine v tekočini. Ko mehurčki dosežejo prostornino, pri kateri ne morejo več absorbirati energije, se med ciklom visokega tlaka silovito zrušijo. Ta pojav se imenuje kavitacija. Kavitacijato je “nastajanje, rast in implozivno propadanje mehurčkov v tekočini. Kavitacijski kolaps povzroča intenzivno lokalno segrevanje (~ 5000 K), visoke tlake (~ 1000 atm) in ogromne hitrosti ogrevanja in hlajenja (>109 K/s)” in tekoči curki (~400 km/h)". (Suslick 1998)

Obstajajo različni načini za ustvarjanje kavitacije, kot so visokotlačne šobe, mešalniki rotor-statorji ali ultrazvočni procesorji. V vseh teh sistemih se vhodna energija pretvori v trenje, turbulence, valove in kavitacijo. Delež vhodne energije, ki se pretvori v kavitacijo, je odvisen od več dejavnikov, ki opisujejo gibanje opreme za proizvodnjo kavitacije v tekočini. Intenzivnost pospeševanja je eden najpomembnejših dejavnikov, ki vplivajo na učinkovito pretvorbo energije v kavitacijo. Večji pospešek ustvarja večje razlike v tlaku. To pa poveča verjetnost nastanka vakuumskih mehurčkov namesto ustvarjanja valov, ki se širijo skozi tekočino. Torej, višji kot je pospešek, večji je delež energije, ki se pretvori v kavitacijo.
V primeru ultrazvočnega pretvornika amplituda nihanja opisuje intenzivnost pospeška. Višje amplitude imajo za posledico učinkovitejše ustvarjanje kavitacije. Poleg intenzivnosti je treba tekočino pospešiti tako, da se ustvarijo minimalne izgube v smislu turbulenc, trenja in nastajanja valov. Za to je optimalen način enostranska smer gibanja. Spreminjanje intenzivnosti in parametrov procesa ultrazvočnega razbijanja je lahko ultrazvok zelo trd ali zelo mehak. Zaradi tega je ultrazvok zelo vsestransko orodje za različne aplikacije.

Mehke aplikacije, ki uporabljajo blago ultrazvočno razbijanje v blagih pogojih, vključujejo Razplinjanje, Emulgiranjein aktivacijo encimov. Trde aplikacije z visoko intenzivnostjo / visoko močjo ultrazvoka (večinoma pod povišanim tlakom) so mokro rezkanje, Deaglomeracija & zmanjšanje velikosti delcev in Razpršitvijo. Za številne aplikacije, kot so Ekstrakcija, razpad ali Sonokemija, zahtevana ultrazvočna intenzivnost je odvisna od specifičnega materiala, ki ga je treba ultrazvočno obdelati. Z različnimi parametri, ki jih je mogoče prilagoditi posameznemu procesu, ultrazvok omogoča iskanje sladke točke za vsak posamezen proces.
Poleg izjemne pretvorbe moči ultrazvok ponuja veliko prednost popolnega nadzora nad najpomembnejšimi parametri: amplitudo, tlak, temperaturo, viskoznost in koncentracijo. To ponuja možnost prilagajanja vseh teh parametrov s ciljem iskanja idealnih parametrov obdelave za vsak posamezen material. To ima za posledico večjo učinkovitost in optimizirano učinkovitost.

Ultrazvok za izboljšanje fermentacijskih procesov, zgledno razložen s proizvodnjo bioetanola

Bioetanol je produkt razgradnje biomase ali biološko razgradljivih snovi odpadkov z anaerobnimi ali aerobnimi bakterijami. Proizvedeni etanol se uporablja predvsem kot biogorivo. Zaradi tega je bioetanol obnovljiva in okolju prijazna alternativa za fosilna goriva, kot je zemeljski plin.
Za proizvodnjo etanola iz biomase se lahko kot surovina uporabijo sladkor, škrob in lignocelulozni material. Za velikost industrijske proizvodnje trenutno prevladujeta sladkor in škrob, saj sta gospodarsko ugodna.
Kako ultrazvok izboljša individualni proces s specifičnimi surovinami v danih pogojih, je mogoče preizkusiti zelo preprosto s testi izvedljivosti. V prvem koraku, ultrazvočno razbijanje majhne količine gnojevke surovine z ultrazvočnim Laboratorijska naprava bo pokazal, če ultrazvok vpliva na surovino.

Preizkušanje izvedljivosti

V prvi fazi testiranja je primerno vnesti relativno veliko količino ultrazvočne energije v majhno količino tekočine, saj se s tem poveča možnost, da se ugotovi, ali je mogoče dobiti kakršne koli rezultate. Majhen volumen vzorca tudi skrajša čas uporabe laboratorijske naprave in zmanjša stroške prvih testov.
Ultrazvočni valovi se prenašajo s površino sonotroda v tekočino. Pod površino sonotrode je intenzivnost ultrazvoka najbolj intenzivna. Pri tem so zaželene kratke razdalje med sonotrode in ultrazvočnim materialom. Ko je izpostavljen majhen volumen tekočine, lahko razdalja od sonotrode ostane kratka.
Spodnja tabela prikazuje tipične ravni energije / prostornine za postopke ultrazvočne obdelave po optimizaciji. Ker prvi poskusi ne bodo izvedeni v optimalni konfiguraciji, bosta intenzivnost in čas ultrazvočnega razbijanja za 10 do 50-krat od tipične vrednosti pokazala, ali obstaja kakršen koli učinek na ultrazvočni material ali ne.

Proces	Energija/ glasnost	Vzorčni volumen	Moč	Čas
preprost	< 100W/ml	10mL	50W	< 20 sekund
Srednja	100 W/ml do 500 W/ml	10mL	50W	20 do 100 sekund
Trd	> 500W/ml	10mL	50W	>100 sekund

Preglednica 1 – Tipične vrednosti ultrazvočnega razbijanja po optimizaciji procesa

Dejanska vhodna moč preskusnih voženj se lahko zabeleži z integriranim zapisovanjem podatkov (UP200Ht in UP200St), računalniški vmesnik ali merilnik moči. V kombinaciji z zabeleženimi podatki o nastavitvi amplitude in temperaturi se lahko ocenijo rezultati vsakega poskusa in določi spodnja črta za energijo/prostornino.
Če je bila med testi izbrana optimalna konfiguracija, se lahko ta zmogljivost konfiguracije preveri med korakom optimizacije in se lahko končno poveča na komercialno raven. Za lažjo optimizacijo je zelo priporočljivo preučiti meje ultrazvočne obdelave, npr. temperaturo, amplitudo ali energijo/prostornino tudi za določene formulacije. Ker bi ultrazvok lahko povzročil negativne učinke na celice, kemikalije ali delce, je treba preučiti kritične ravni za vsak parameter, da se omeji naslednja optimizacija na območje parametrov, kjer negativni učinki niso opaženi. Za študijo izvedljivosti se priporočajo majhne laboratorijske ali namizne enote, da se omejijo stroški za opremo in vzorce v takih poskusih. Na splošno enote od 100 do 1.000 vatov zelo dobro služijo za namene študije izvedljivosti. (prim. Hielscher 2005)

Optimization

Rezultati, doseženi med študijami izvedljivosti, lahko kažejo precej visoko porabo energije glede na majhno obdelano prostornino. Toda namen testa izvedljivosti je predvsem pokazati učinke ultrazvoka na material. Če so se pri testiranju izvedljivosti pojavili pozitivni učinki, si je treba dodatno prizadevati za optimizacijo razmerja med energijo in prostornino. To pomeni, da je treba raziskati idealno konfiguracijo ultrazvočnih parametrov, da bi dosegli najvišji donos z manj energije, da bi bil proces ekonomsko najbolj razumen in učinkovit. Iskanje optimalne konfiguracije parametrov – doseganje želenih koristi z minimalnim vnosom energije – korelacija med najpomembnejšimi parametri amplituda, tlak, temperatura in tekočina Raziskati je treba sestavo. V tem drugem koraku je priporočljiv prehod iz šaržne ultrazvočne razbijanja v neprekinjeno ultrazvočno nastavitev s reaktorjem pretočne celice, saj na pomemben parameter tlaka ni mogoče vplivati za šaržno ultrazvočno razbijanje. Med ultrazvočnim razbijanjem v seriji je tlak omejen na tlak okolice. Če postopek ultrazvočne razbijanje preide skozi komoro pretočnih celic pod tlakom, se lahko tlak zviša (ali zmanjša), kar na splošno vpliva na ultrazvočno Kavitacija Drastično. Z uporabo pretočne celice lahko določimo korelacijo med tlakom in učinkovitostjo procesa. Ultrazvočni procesorji med 500 vatov in 2000 vatov moči so najprimernejši za optimizacijo procesa.

Povečanje na komercialno proizvodnjo

Če je bila najdena optimalna konfiguracija, je nadaljnje povečanje preprosto, saj so ultrazvočni procesi popolnoma ponovljiv na linearni lestvici. To pomeni, da je pri uporabi ultrazvoka za enako tekočo formulacijo pri enaki konfiguraciji procesnih parametrov potrebna enaka energija na prostornino, da se dobi enak rezultat, neodvisen od obsega obdelave. (Hielscher 2005). To omogoča izvedbo optimalne konfiguracije parametrov ultrazvoka do celotne velikosti proizvodnje. Praktično je prostornina, ki jo je mogoče obdelati ultrazvočno, neomejena. Komercialni ultrazvočni sistemi z do 16.000 vatov na enoto so na voljo in jih je mogoče namestiti v grozde. Takšni grozdi ultrazvočnih procesorjev se lahko namestijo vzporedno ali zaporedno. Z namestitvijo ultrazvočnih procesorjev visoke moči je skupna moč skoraj neomejena, tako da se lahko brez težav obdelajo tokovi velikega obsega. Tudi, če je potrebna prilagoditev ultrazvočnega sistema, npr. Prilagoditev parametrov modificirani tekoči formulaciji, se to lahko večinoma stori s spremembo sonotrode, ojačevalnika ali pretočne celice. Linearna razširljivost, ponovljivost in prilagodljivost ultrazvoka naredijo to inovativno tehnologijo učinkovito in stroškovno učinkovito.

Parametri ultrazvočne obdelave

Ultrazvočna obdelava tekočin je opisana s številnimi parametri. Najpomembnejši so amplituda, tlak, temperatura, viskoznost in koncentracija. Rezultat procesa, kot je velikost delcev, za dano konfiguracijo parametra je funkcija energije na predelano prostornino. Funkcija se spreminja s spremembami posameznih parametrov. Poleg tega je dejanska izhodna moč na površino sonotrode ultrazvočne enote odvisna od parametrov. Izhodna moč na površino sonotrode je površinska intenzivnost (I). Intenzivnost površine je odvisna od amplitude (A), tlaka (p), prostornine reaktorja (VR), temperature (T), viskoznosti (η) in drugih.

Vpliv nastale kavitacije je odvisen od površinske intenzivnosti. Na enak način je rezultat procesa koreliran. Skupna izhodna moč ultrazvočne enote je produkt površinske intenzivnosti (I) in površine (S):

p [w] jaz [w / Mm²]* s[Mm²]

amplituda

Amplituda nihanja opisuje pot (npr. 50 μm) površine sonotrode v določenem času (npr. 1/20.000 s pri 20 kHz). Večja kot je amplituda, višja je hitrost, s katero se tlak znižuje in povečuje pri vsakem udarcu. Poleg tega se poveča premik volumna vsakega udarca, kar povzroči večji volumen kavitacije (velikost in / ali število mehurčkov). Pri uporabi za disperzije višje amplitude kažejo večjo destruktivnost trdnih delcev. Tabela 1 prikazuje splošne vrednosti za nekatere ultrazvočne procese.

pritisk

Vrelišče tekočine je odvisno od tlaka. Višji kot je tlak, višje je vrelišče in obratno. Povišan tlak omogoča kavitacijo pri temperaturah blizu ali nad vreliščem. Prav tako poveča intenzivnost implozije, ki je povezana z razliko med statičnim tlakom in parnim tlakom v mehurčku (prim. Vercet et al. 1999). Ker se ultrazvočna moč in intenzivnost hitro spreminjata s spremembami tlaka, je bolj zaželena črpalka s konstantnim tlakom. Pri dovajanju tekočine v pretočno celico mora biti črpalka sposobna obvladovati specifični pretok tekočine pri ustreznem tlaku. membranske ali membranske črpalke; črpalke s fleksibilnimi cevmi, cevmi ali stiskali; peristaltične črpalke; ali batna ali batna črpalka bo ustvarila izmenična nihanja tlaka. Zaželene so centrifugalne črpalke, zobniške črpalke, spiralne črpalke in progresivne črpalke, ki dovajajo tekočino, ki jo je treba ultrazvočno obdelati pri stalno stabilnem tlaku. (Hielscher 2005)

temperatura

S ultrazvočnim razbijanjem se moč prenaša v medij. Ker ultrazvočno ustvarjeno nihanje povzroča turbulence in trenje, ultrazvočna tekočina – v skladu z zakonom termodinamike – se bo segrelo. Povišane temperature obdelanega medija so lahko uničujoče za material in zmanjšajo učinkovitost ultrazvočne kavitacije. Inovativne ultrazvočne pretočne celice so opremljene s hladilnim plaščem (glej sliko). S tem je podan natančen nadzor nad temperaturo materiala med ultrazvočno obdelavo. Za sončenje manjših volumnov čaše je priporočljiva ledena kopel za odvajanje toplote.

Viskoznost in koncentracija

Ultrazvočno Rezkanje in Razpršitvijo so tekoči procesi. Delci morajo biti v suspenziji, npr. v vodi, olju, topilih ali smolah. Z uporabo ultrazvočnih pretočnih sistemov je mogoče sonikirati zelo viskozen, pastozen material.
Ultrazvočni procesor z visoko močjo lahko deluje pri precej visokih koncentracijah trdnih snovi. Visoka koncentracija zagotavlja učinkovitost ultrazvočne obdelave, saj ultrazvočni učinek mletja povzroča trk med delci. Preiskave so pokazale, da je stopnja loma silicijevega dioksida neodvisna od koncentracije trdne snovi do 50 % mase. Obdelava matičnih serij z razmerjem visoko koncentriranega materiala je običajen proizvodni postopek z uporabo ultrazvoka.

Moč in intenzivnost v primerjavi z energijo

Površinska intenzivnost in skupna moč opisujeta le intenzivnost obdelave. Volumen ultrazvočnega vzorca in čas izpostavljenosti pri določeni intenzivnosti je treba upoštevati pri opisu postopka ultrazvočnega razbijanja, da bi bil razširljiv in ponovljiv. Za dano konfiguracijo parametrov bo rezultat postopka, npr. velikost delcev ali kemična pretvorba, odvisen od energije na prostornino (E/V).

Rezultat = F (E /V )

Pri čemer je energija (E) zmnožek izhodne moči (P) in časa izpostavljenosti (t).

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

Spremembe v konfiguraciji parametrov bodo spremenile funkcijo rezultata. To pa bo spremenilo količino energije (E), ki je potrebna za dano vrednost vzorca (V), da se dobi določena vrednost rezultata. Iz tega razloga ni dovolj, da v proces uporabimo določeno moč ultrazvoka, da bi dobili rezultat. Potreben je bolj izpopolnjen pristop za ugotavljanje potrebne moči in konfiguracije parametrov, pri katerih je treba moč vnesti v procesni material. (Hielscher 2005)

Ultrazvočno podprta proizvodnja bioetanola

Že vemo, da ultrazvok izboljša proizvodnjo bioetanola. Priporočljivo je, da tekočino zgostite z biomaso do zelo viskozne gnojevke, ki jo je še vedno mogoče črpati. Ultrazvočni reaktorji lahko prenesejo precej visoke koncentracije trdnih snovi, tako da se lahko postopek ultrazvočne obdelave izvaja najbolj učinkovito. Več materiala je vsebovanega v gnojevki, manj nosilne tekočine, ki ne bo imela koristi od postopka ultrazvočnega razbijanja, bo obdelana. Ker vnos energije v tekočino povzroči segrevanje tekočine po zakonu termodinamike, to pomeni, da se ultrazvočna energija nanese na ciljni material, kolikor je to mogoče. S tako učinkovito zasnovo procesa se izognemo potratnemu segrevanju odvečne nosilne tekočine.
Ultrazvok pomaga Ekstrakcija znotrajceličnega materiala in ga tako naredi na voljo za encimsko fermentacijo. Blago ultrazvočno zdravljenje lahko poveča encimsko aktivnost, vendar bo za ekstrakcijo biomase potreben intenzivnejši ultrazvok. Zato je treba encime dodati gnojevki biomase po ultrazvočni obdelavi, saj intenziven ultrazvok inaktivira encime, kar ni zaželen učinek.

Trenutni rezultati, doseženi z znanstvenimi raziskavami:

(2010) v zvezi s proizvodnjo bioetanola iz riževe slame so pokazale, da kombinacija kislinske predobdelave in ultrazvočne obdelave pred encimsko obdelavo vodi do povečanega donosa sladkorja do 44% (na osnovi riževe slame). To kaže učinkovitost kombinacije fizikalne in kemične predobdelave pred encimsko hidrolizo lignoceluloznega materiala v sladkor.

Graf 2 grafično prikazuje pozitivne učinke ultrazvočnega obsevanja med proizvodnjo bioetanola iz riževe slame. (Oglje je bilo uporabljeno za razstrupljanje predhodno obdelanih vzorcev iz predobdelave s kislino / encimi in ultrazvočne predobdelave.)

V drugi nedavni študiji je bil preučen vpliv ultrazvoka na zunajcelične in znotrajcelične ravni encima β-galaktozidaze. (2011) bi lahko znatno izboljšali produktivnost proizvodnje bioetanola z uporabo ultrazvoka pri nadzorovani temperaturi, ki spodbuja rast kvasovk Kluyveromyces marxianus (ATCC 46537). Avtorji članka nadaljujejo, da je intermitentna ultrazvočna razbijanje z močnim ultrazvokom (20 kHz) pri delovnih ciklih ≤20% spodbudilo proizvodnjo biomase, presnovo laktoze in proizvodnjo etanola pri K. marxianus pri relativno visoki intenzivnosti ultrazvočne razbijanje 11,8 Wcm⁻². V najboljših pogojih je ultrazvočna razbijanje povečala končno koncentracijo etanola za skoraj 3,5-krat glede na kontrolo. To je ustrezalo 3,5-kratnemu povečanju produktivnosti etanola, vendar je zahtevalo 952 W dodatne vhodne moči na kubični meter juhe z ultrazvočnim razbijanjem. Ta dodatna potreba po energiji je bila zagotovo v okviru sprejemljivih obratovalnih norm za bioreaktorje, za izdelke visoke vrednosti pa jo je bilo mogoče zlahka nadomestiti s povečano produktivnostjo.

Zaključek: Koristi ultrazvočno podprte fermentacije

Ultrazvočna obdelava se je izkazala kot učinkovita in inovativna tehnika za povečanje donosa bioetanola. Ultrazvok se uporablja predvsem za pridobivanje znotrajceličnih materialov iz biomase, kot so koruza, soja, slama, lignocelulozni material ali rastlinski odpadki.

• Povečanje donosa bioetanola
• Razgradnja/uničenje celic in sproščanje znotrajceličnega materiala
• Izboljšana anaerobna razgradnja
• Aktivacija encimov z blago ultrazvočno razbijanjem
• Izboljšanje učinkovitosti procesa z visoko koncentracijo gnojevk

Enostavno testiranje, ponovljivo povečanje in enostavna namestitev (tudi v že obstoječih proizvodnih tokovih) naredijo ultrazvok donosno in učinkovito tehnologijo. Na voljo so zanesljivi industrijski ultrazvočni procesorji za komercialno obdelavo, ki omogočajo sonikiranje skoraj neomejenih količin tekočine.