Ultrazvočno Assisted fermentacije za bioetanol proizvodnjo

fermentacija

Fermentacija je lahko aerobno (= oksidativni fermentacije) ali anaerobni postopek, ki se uporablja za biotehnološke aplikacije za pretvorbo organskega materiala, ki ga bakterijskih, glivičnih ali drugih bioloških celičnih kulturah ali encimi. S fermentacijo, se energija pridobiva iz oksidacije organskih spojin, npr ogljikovih hidratov.

Sladkor je najpogostejša substrata fermentacije, kar po fermentaciji z izdelki, kot so mlečna kislina, laktoza, etanol in vodika. Za alkoholno fermentacijo, etanol - predvsem za uporabo kot gorivo, ampak tudi za alkoholne pijače – pri fermentaciji. Kadar nekatere kvasovke, kot so Saccharomyces cerevisiae presnavljajo sladkor, celice kvasa pretvorbo izhodnega materiala v etanol in ogljikov dioksid.

Spodnji kemijske enačbe povzemajo pretvorbo:

Če je izhodni material je škrob, npr iz koruze, najprej treba škrob pretvori v sladkor. Za bioetanol, ki se uporablja kot gorivo, ki je potrebna hidroliza za pretvorbo škroba. Značilno je, da je hidroliza pospešiti s kislo ali encimsko obdelavo ali s kombinacijo obojega. Običajno se fermentacija poteka pri okoli 35-40 ° C.
Pregled po različnih fermentacijskih procesov:

Hrana:

• proizvodnja & ohranjanje
• mlečna (fermentacije mlečne kisline), npr jogurt, pinjenec, kefir
• mlečno fermentirane zelenjave, npr Kimchi, miso, natto, tsukemono, zelje
• Razvoj aromatov, npr sojina omaka
• razkroj strojili, npr čaj, kakav, kava, tobak
• alkoholne pijače, npr pivo, vino, viski

droge:

• Proizvodnja medicinskih spojin, npr inzulin, hialuronska kislina

Bioplin / etanol:

• izboljšanje bioplina / proizvodnja bioetanola

Različne raziskovalne naloge in preizkusi na klopi-top in pilotni velikosti, so pokazale, da ultrazvok izboljša proces fermentacije z izdelavo več biomase na voljo za encimsko fermentacijo. V nadaljevanju bo izdelana učinke ultrazvoka v tekočini.

Učinki Ultrasonic Liquid obdelave

Z visoko močjo / nizkofrekvenčnega ultrazvoka se visoke amplitude mogoče ustvariti. Pri tem lahko visoko močjo / nizkofrekvenčni ultrazvok se uporablja za obdelavo tekočin, kot je mešanje, emulgiranje, razprševanje in deaglomeracije ali mletje.
Ko sonifikacijo tekočine pri visoki intenzivnosti, zvočne valove, ki razmnozujemo v tekočem mediju povzroči izmenično visokim tlakom (kompresijo) in nizkotlačni (redčenje) cikluse, s stopnjami glede na frekvenco. Med ciklom nizkotlačni, visoke intenzivnosti ultrazvočni valovi ustvarjajo majhne vakuumske mehurčki ali praznin v tekočini. Ko se mehurčki doseči količino, po kateri ne more več absorbirajo energijo, so v ciklu pod visokim pritiskom kolaps nasilno. Ta pojav se imenuje kavitacija. kavitacija, Ki je “tvorba, rast in implosive kolaps mehurčkov v tekočini. Kavitacijski kolaps proizvaja intenzivno lokalnega segrevanja (~ 5000 K), visoke tlake (~ 1000 ATM), in ogromne ogrevanje in hlajenje stopnje (>109 K / s)” in tekoči jet stream (~ 400 km / h) ". (Suslick 1998)

Obstajajo različna sredstva za ustvarjanje kavitacije, kot so visokotlačne šobe, rotor-stator mešalniki 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 kavitacijo, ki proizvaja v tekočini. Intenzivnost pospeševanja je eden najpomembnejših dejavnikov, ki vplivajo na učinkovito pretvorbo energije v kavitacijo. Večji pospešek povzroča večje razlike v tlaku. To pa povečuje verjetnost ustvarjanja vakuumskih mehurčkov namesto ustvarjanja valov, ki se širijo skozi tekočino. Tako je večji pospešek, višji je delež energije, ki se pretvori v kavitacijo.
V primeru ultrazvočni pretvornik, amplituda nihanja opisuje intenzivnost pospešek. Višje amplitud za posledico bolj učinkovito ustvarjanje kavitacija. Poleg intenzivnosti, je treba tekočino treba pospešiti tako, da ustvarjajo minimalne izgube v smislu turbulenc, trenja in generacije valov. Za to optimalen način, je enostranska smer gibanja. Spreminjanje intenzivnost in parametri postopka sonifikacijo, lahko ultrazvok je zelo težko ali zelo mehko. To naredi ultrazvok zelo vsestransko orodje za različne aplikacije.

Mehki aplikacije, ki uporabljajo blage sonikacijo pod milimi pogoji, vključujejo odplinjevanje, emulgiranjeIn encim aktivacijo. Trdi aplikacije z visoko intenzivnostjo / visoke moči ultrazvoka (večinoma pod povišanim tlakom) so Mokro-rezkanje, deaglomeracije & Zmanjšanje velikosti delcev, in razprševanje. Za številne aplikacije, kot so Pridobivanje, Razpad ali Ultrazvočna kemija, Ultrazvočni intenzivnost zahteval odvisen od posebnega materiala, ki se sonicated. Z različnih parametrov, ki jih je mogoče prilagoditi za posamezen postopek, ultrazvok omogoča iskanje sweet spot za vsak posamezen proces.
Poleg izjemno pretvorbo energije, ultrazvokom ponuja veliko prednost popoln nadzor nad najpomembnejšimi parametri: Amplituda, tlak, temperatura, viskoznost in koncentracijo. Ta ponuja možnost, da prilagodijo vse te parametre s ciljem, da bi našli idealno parametrov obdelave za vsako posamezno materiala. To ima za posledico višjo učinkovitost kot tudi v optimalnim učinkovitosti.

Ultrazvok za izboljšanje postopkov fermentacije, je pojasnil zgledno s proizvodnjo bioetanola

Bioetanol je produkt razgradnje biomase ali biološko razgradljivih snovi odpadkov z anaerobno ali aerobno bakterij. Proizvedena Etanol se uporablja predvsem kot biogorivo. To naredi bioetanol obnovljiv in okolju prijazno alternativo za fosilna goriva, kot je zemeljski plin.
Za proizvodnjo etanola iz biomase, sladkor, škrob in lesne celuloze se lahko uporablja kot surovina. Za industrijske velikosti proizvodnje, sladkorja in škroba so trenutno prevladujoča, kot so ekonomsko ugodna.
Kako ultrazvok izboljšuje stranke posamezniki procesa s posebnim surovin pod danimi pogoji se lahko preizkusili zelo preprosta testi izvedljivosti. V prvem koraku, ultrazvočno razbijanje majhne količine surovega materiala gošče z ultrazvočno laboratorijske naprave bo pokazal, če je ultrazvok ne vpliva na surovine.

izvedljivosti Testiranje

V prvi fazi testiranja, je primerno uvesti relativno visoko količino ultrazvočno energijo v majhnem volumnu tekočih saj s tem do povišanja priložnost videti, če je mogoče dobiti vse rezultate. Majhen volumen vzorca skrajša tudi čas s pomočjo naprave laboratorij in zmanjša stroške za prve teste.
Ultrazvočni valovi prenašajo po površini sonotrode je v tekočino. Beneth sonotrode površine, intenzivnost ultrazvok je najbolj intenzivno. Pri tem so prednostne kratke razdalje med sonotrodo in sonicirali materiala. Ko je majhna tekočina obseg izpostavljena, lahko oddaljenost od sonotrode biti kratek.
Spodnja tabela prikazuje tipične vrednosti energije / prostornina za procese ultrazvočno razbijanje po optimizaciji. Od prvega preskušanja ne bo delovati pri optimalni konfiguraciji, intenzivnosti sonifikacijo in roku 10 do 50-krat na tipične vrednosti bo pokazalo, če obstaja učinek na sonicira materialu ali ne.

Postopek	Energija/ obseg	vzorec zvezek	moč	čas
Enostavno	< 100Ws / ml	10 ml	50W	< 20 sek
srednje	100Ws / mL do 500Ws / ml	10 ml	50W	20 do 100 sekund
Težko	> 500Ws / ml	10 ml	50W	>100 sek

Tabela 1 – Značilne vrednosti sonifikacijo po optimizaciji procesov

Dejanska vhodna moč testnih voženj se lahko evidentirajo prek integriranega zapisovanje podatkov (UP200Ht in UP200St), PC-vmesnik ali PowerMeter. V kombinaciji s zabeleženih podatkov za nastavitev amplitude in temperaturo, lahko rezultati vsak poskus je treba oceniti in je mogoče določiti spodnja meja za energijo / volumen.
Če je med preskusi bila izbrana optimalna konfiguracija, bi se ta konfiguracijska zmogljivost lahko preverila med korakom optimizacije in bi se lahko končno povečala na komercialno raven. Za olajšanje optimizacije je zelo priporočljivo preučiti meje sonikacije, npr. Temperaturo, amplitudo ali energijo / volumen za določene formulacije. Ker lahko ultrazvok ustvari negativne učinke na celice, kemikalije ali delce, je treba preučiti kritične ravni za vsak parameter, da bi omejili naslednjo optimizacijo na obseg parametrov, kjer negativni učinki niso opaženi. Za študijo izvedljivosti je priporočljivo, da se majhne laboratorijske ali klopne enote omejijo na stroške opreme in vzorcev v takšnih preskušanjih. Na splošno je študija izvedljivosti zelo dobra za enote od 100 do 1000 vatov. (glej Hielscher 2005)

optimizacija

Doseženi med študijami izvedljivosti rezultati lahko kažejo na dokaj visoko porabo energije glede na majhno količino obdelane. Toda namen testa izvedljivosti je predvsem prikazati učinke ultrazvoka do gradiva. Če je v zgodila izvedljivosti testiranje pozitivne učinke, je treba nadaljevati prizadevanja za optimalno razmerje energija / volumen. To pomeni, da razišče idealno konfiguracijo ultrazvočnih parametrov, da se doseže največji donos z manj energije je mogoče, da bi proces ekonomsko najbolj smiselno in učinkovito. Če želite najti optimalno nastavitev parametrov – pridobitev predvidenih koristi z minimalnim vnosom energije – korelacija med najpomembnejšimi parametri amplituda, tlak, temperatura in tekočina Sestavek je treba preiskati. V drugem koraku se priporoča sprememba od serije sonifikacijo v neprekinjenem nastavitev sonifikacijo s tokom celic reaktor kot pomemben parameter pritiska ne more vplivati ​​na šaržno sonikacijo. Med sonifikacijo v seriji, je tlak omejen na tlak okolice. Če postopek sonični prehaja tok celico komoro stisljivo, lahko tlak zvišan (ali zmanjšana), ki na splošno vpliva ultrasonični kavitacija drastično. Z uporabo pretočno celico, lahko korelacija med tlačnim in učinkovitosti procesa je treba določiti. Ultrazvočne procesorji med 500 W in 2000 W moči so najbolj primerni za optimizacijo postopka.

Lestvica-Do komercialno proizvodnjo

Če je bilo ugotovljeno, da optimalna konfiguracija je nadalje lestvica-up je enostavno, kot so ultrazvokom popolnoma ponovljiv na linearni lestvici. To pomeni, da se z ultrazvokom nanaša na enako tekočo formulacijo pod identično konfiguracijo parametrov obdelave, potrebna je enaka energija na enoto, da se doseže enak rezultat, ki je neodvisen od obsega obdelave. (Hielscher 2005). To omogoča izvedbo optimalne konfiguracije parametrov ultrazvokov na celotno velikost proizvodnje. Praktično, obseg, ki se lahko obdeluje ultrazvočno, je neomejen. Komercialni ultrazvočni sistemi z do 16.000 vatov na enoto so na voljo in jih je mogoče namestiti v skupinah. Ti grozdi ultrazvočnih procesorjev se lahko namesti vzporedno ali zaporedno. Z gruči pametno namestitev visoke moči ultrazvočni procesorji, skupna moč je skoraj neomejena, tako da se tokovi visoki glasnosti lahko obdelujejo brez problema. Tudi če se zahteva prilagajanje ultrazvočnega sistema, npr prilagoditi parametre modificiranega tekoče formulacije, to lahko predvsem narediti s spreminjanjem sonotrode, booster pretočno celico. Linearna skalabilnost, obnovljivost in prilagodljivost ultrazvoka, da ta inovativna tehnologija učinkovito in stroškovno učinkovito.

Parametri Ultrasonic obdelave

Ultrazvočni tekoča obdelava je opisana s številom parametrov. Najpomembnejši so amplitudo, tlak, temperatura, viskoznost in koncentracijo. Rezultat Postopek, kot je velikost delcev, za določeno konfiguracijo parametrov je odvisna od energije na predelanega volumna. Funkcija se spreminja s spremembami v posameznih parametrov. Poleg tega je dejanska izhodna moč na površino sonotrode izvedeni ultrazvočni napravi je odvisna od parametrov. Izhodna moč na površino sonotrode je intenzivnost ploskev (I). Intenzivnost površina je odvisna od amplituda (A), tlak (p), volumen reaktorja (VR), temperatura (T), viskoznost (η) in drugi.

Vpliv ustvarjenega kavitacije je odvisna od intenzivnosti površine. Na enak način, rezultat procesa povezana. Skupna izhodna moč ultrazvočni napravi je produkt intenzivnosti površine (I) in površino (S):

P [W] jaz [W / Mm²] * S[Mm²]

amplituda

Amplituda nihanja opisuje pot (npr. 50 μm), površina sonotrode potuje v določenem času (npr. 1 / 20.000 s 20kHz). Čim večja je amplituda, večja je hitrost, pri kateri se tlak znižuje in poveča pri vsakem koraku. Poleg tega se povečuje volumen vsake kapi, kar povzroči večji volumen kavitacije (velikost in / ali število mehurčkov). Ko se uporabljajo 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 je tlak, višji je vrelišče in obratno. Povišan tlak omogoča kavitacijo pri temperaturah, ki so blizu ali vrelišča. Poveča tudi intenzivnost implozije, ki je povezana z razliko med statičnim tlakom in tlakom v notranjosti mehurčka (primerjaj Vercet et al., 1999). Ker se ultrazvočna moč in intenzivnost hitro spreminjajo s spremembami tlaka, je priporočljiva črpalka s konstantnim tlakom. Pri dovajanju tekočine v pretočno celico mora biti črpalka primerna tekoča pretok pri ustreznih tlakih. Membranske ali membranske črpalke; črpalke s cevjo gibke cevi, cevjo ali stiskanjem; peristaltične črpalke; ali bata ali bata črpalke ustvarijo izmenično nihanje tlaka. Prednostne so centrifugalne črpalke, zobne črpalke, spiralna črpalka in progresivne črpalne črpalke, ki oskrbujejo tekočino s sonikacijo pri stalno stabilnem tlaku. (Hielscher 2005)

temperatura

Z obdelamo z ultrazvokom tekočine, se moč prenaša na medij. Kot ultrazvočno ustvari nihanje povzroči turbulenc in trenje je sonicirali tekočino - v skladu z zakonom termodinamike – se segreje. Povišane temperature predelanega medija lahko uničuje materiala in zmanjšujejo učinkovitost ultrazvočne kavitacije. Inovativna ultrazvočni celice toka so opremljeni s hladilnim plaščem (glej sliko). S tem je podana natančna kontrola nad temperaturo materiala, med ultrazvočno obdelavo. Za Čaša ultrazvoka manjših količinah je priporočljivo ledeni kopeli za odvajanje toplote.

Viskoznost in koncentracija

Ultrazvočni rezkanje in razprševanje so tekoči procesi. Delci morajo biti v suspenziji, npr V voda, olje, topila ali smole. Z uporabo ultrazvočnih sistemov pretočnih, postane možno sonicate zelo viskozna, pastozno snov.
Zmogljiv ultrazvočni procesor se lahko izvajajo na dokaj visokih koncentracijah trdnih snovi. Visoka koncentracija določa učinkovitost ultrazvočno obdelavo, kot je ultrazvočni mletje učinek posledica trčenja med delci. Raziskave so pokazale, da je stopnja preloma silicijevega dioksida odvisna od trdne koncentraciji do 50% mas. Obdelava centralnega serij z razmerjem visoko koncentriranega materiala je skupni postopek proizvodnje z uporabo ultrazvokom.

Moč in Intenzivnost primerjavi z energijo

Intenzivnost površine in skupna moč ne le opisati intenzivnost obdelave. Sonicira volumen vzorca in čas izpostavljenosti na določene intenzivnosti, je treba upoštevati, da opisuje postopek sonifikacijo, da bi bilo prilagodljiva in ponovljiva. Za dano konfiguracijo parametrov je rezultat procesa, npr velikost delcev ali kemično pretvorbo, bo odvisna od energije na volumen (E / V).

rezultat = F (E /V )

Če je energija (E) je zmnožek močjo (P) in čas izpostavljenosti (t).

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

Spremembe konfiguracije parametrov bo spremenila funkcijo rezultata. To bo spreminjanje količine energije (E), potrebnih za dano vrednost vzorca (V), da dobimo posebno vrednost rezultata. Zaradi tega ni dovolj, da se uporabi določeno moč ultrazvoka v procesu, da bi dobili rezultat. Nekoliko bolj izpiljen pristop je potrebno določiti potrebno moč in konfiguracijo parametrov, na kateri naj bi se moč dal v procesno gradivo. (Hielscher 2005)

Ultrazvočno podprto proizvodnjo bioetanola

To je že vedel, da ultrazvok izboljša proizvodnjo bioetanola. Priporočljivo je zgostitev tekočino z biomaso za visoko viskozne tekoče zmesi, ki je še vedno črpati. Ultrazvočni reaktorji lahko ročaj dokaj trdne koncentracije, tako da se proces sonični lahko deluje najbolj učinkovito. Bolj material vsebovan v gošči, manj nosilne tekočine, ki ne bo koristi od procesa sonifikacijo, bo treba obdelati. Kot je vnos energije v tekočino povzroča segrevanje tekočine po zakonu termodinamike, to pomeni, da je ultrazvočna energija uporablja za ciljni materiala, kolikor je le mogoče. S tako učinkovito zasnovo postopka, se izogibati potratnih segrevanje presežne nosilne tekočine.
Ultrazvok pomaga Pridobivanje na znotrajcelično materiala, zaradi česar je tako na voljo za encimsko fermentacijo. Blaga zdravljenje ultrazvok lahko izboljša encimsko aktivnost, toda za ekstrakcijo biomase bo potrebno bolj intenzivno ultrazvok. Zato je treba encimi dodamo k zmesi biomase po sonični kot intenzivno ultrazvok deaktivirajo encime, ki je ni zaželen učinek.

Tekoči rezultati, doseženi z znanstvenimi raziskavami:

Študije o Yoswathana et al. (2010) v zvezi s proizvodnjo bioetanola iz riževe slame so pokazali, da je kombinacija kisline predobdelave in ultrazvočni pred svinca encimski obdelavi s povečanim izkoristkom sladkorja do 44% (na riž osnovi slame). To kaže učinkovitost kombinacije fizikalne in kemične predobdelave pred encimsko hidrolizo lignocelulozo materiala sladkorja.

Slika 2 kaže pozitivne učinke ultrazvočnega valovanja med proizvodnjo bioetanola iz riževe slame grafično. (Oglje je bila uporabljena za razstrupljanje predhodno obdelane vzorce kisline / encimskega predobdelavo in ultrazvočne predobdelave.)

V drugi nedavni študiji, je preučila vpliv ultrazvoka na zunajcelične in znotrajceličnih stopnjah β-galaktozidaze encima. Sulaiman sod. (2011) lahko izboljša produktivnost proizvodnje bioetanola bistvu, z ultrazvokom pri nadzorovani temperaturi stimulira rast kvasovk Kluyveromyces marxianus (ATCC 46537). Avtorji papirja nadaljuje, da so prekinitve ultrazvoka z močjo ultrazvokom (20 kHz) pri obratovalnih ciklov od ≤ 20% stimulira produkcijo biomase, laktozo presnovo in proizvodnjo etanola v K. marxianus na relativno visoko intenzivnostjo ultrazvočno razbijanje 11.8Wcm^-2. Pod najboljšimi pogoji, ultrazvoka izboljšano končno koncentracijo etanola s skoraj 3,5-krat glede na kontrolo. To je ustrezalo izboljšanju 3,5-kratno produktivnosti etanola, vendar zahteva 952W dodatnega dovoda energije na kubični meter brozge s pomočjo ultrazvoka. Ta dodatna zahteva za energijo je zagotovo znotraj sprejemljivih operativnih norm za bioreaktorji in za izdelke z visoko dodano vrednostjo, je mogoče zlahka nadomestiti s povečano produktivnostjo.

Zaključek: Prednosti iz ultrazvočno-Assisted Fermentacija

Zdravljenje Ultrasonic je pokazala kot učinkovito in inovativno tehniko za povečanje donosa bioetanola. Predvsem se ultrazvok uporablja za pridobivanje znotrajcelično materiala iz biomase, kot so koruza, soja, slama, lesne celuloze ali rastlinskih odpadnih snovi.

• Povečanje bioetanola dobitkom
• Disinteration / celic Uničevanje in sproščanje znotraj celičnega materiala
• Izboljšana anaerobna razgradnja
• Aktivacija encimov z rahlim sonikacijo
• Izboljšanje učinkovitosti procesa z visokimi blata koncentracije

Preprosto testiranje, ponovljivo lestvica-up in enostavna montaža (tudi v že obstoječih proizvodnih tokov) naredi ultrazvok donosno in učinkovito tehnologijo. Zanesljivo industrijski ultrazvočni procesorji za komercialno predelavo so na voljo in da je mogoče sonicate praktično neomejeno tekoče količine.