Ферментација потпомогнута ултразвуком за производњу биоетанола

Ферментација потпомогнута ултразвуком може унапредити производњу биоетанола подстицањем разградње сложених угљених хидрата на једноставније шећере, чиме они постају доступнији квасцу за претварање у етанол. Истовремено, соникација повећава и ефикасност проласка кроз ћелијски зид квасца, омогућавајући брже ослобађање етанола и повећање укупне производње. Тиме ферментација биоетанола потпомогнута ултразвуком доводи до виших стопа конверзије и повећаних приноса.

Ферментација

Ферментација може бити аеробни (= оксидативна ферментација) или анаеробни процес који се користи у биотехнолошким применама за претварање органског материјала помоћу бактеријских, гљивичних или других биолошких ћелијских култура или помоћу ензима. Ферментацијом се енергија добија оксидацијом органских једињења, нпр. угљених хидрата.
Шећер је најчешћи супстрат ферментације, након које настају производи као што су млечна киселина, лактоза, етанол и водоник. При алкохолној ферментацији, етанол се производи ферментацијом – нарочито за употребу као гориво, али и за алкохолна пића. Када одређени сојеви квасца, као што је Saccharomyces cerevisiae метаболишу шећер, ћелије квасца претварају полазни материјал у етанол и угљен-диоксид.

Хемијске једначине у наставку сажето приказују конверзију:

Ако је полазни материјал скроб, нпр. из кукуруза, скроб се најпре мора претворити у шећер. За биоетанол који се користи као гориво неопходна је хидролиза ради конверзије скроба. Хидролиза се обично убрзава киселинским или ензимским третманом или њиховом комбинацијом. Ферментација се обично спроводи на око 35–40 °C.
Преглед различитих процеса ферментације:

Храна :

• производња & конзервисање
• млечни производи (млечнокиселинска ферментација), нпр. јогурт, млаћеница, кефир
• млечнокиселински ферментисано поврће, нпр. кимчи, мисо, нато, цукемоно, кисели купус
• развијање ароматичних једињења, нпр. соја-сос
• разградња танинских материја, нпр. чај, какао, кафа, дуван
• алкохолна пића, нпр. пиво, вино, виски

Лекови :

• производња једињења за медицинску употребу, нпр. инсулин, хијалуронска киселина

Биогас/ Етанол :

• унапређење производње биогаса/ биоетанола

Различити истраживачки радови и испитивања у лабораторијској и пилот-размери показали су да ултразвук побољшава процес ферментације тако што већу количину биомасе чини доступном за ензимску ферментацију. У наредном одељку биће детаљно објашњени ефекти ултразвука у течности.

Ефекти ултразвучне обраде течности

Ултразвуком велике снаге/ ниске фреквенције могу се генерисати велике амплитуде. Зато се ултразвук велике снаге/ ниске фреквенције може користити за обраду течности, као што су мешање, емулговање, дисперговање и деагломерација или млевење.
При соникацији течности високим интензитетима, звучни таласи који се простиру кроз течну средину доводе до наизменичних циклуса високог притиска (сабијања) и ниског притиска (разређивања), чија учесталост зависи од фреквенције. Током циклуса ниског притиска, ултразвучни таласи високог интензитета стварају мале вакуумске мехуриће или шупљине у течности. Када мехурићи достигну запремину при којој више не могу да апсорбују енергију, нагло колабирају током циклуса високог притиска. Ова појава назива се кавитација. Кавитација, односно „настанак, раст и имплозивни колапс мехурића у течности. Кавитациони колапс изазива интензивно локално загревање (~5000 K), високе притиске (~1000 atm) и огромне брзине загревања и хлађења (>109 K/sec)“ и млазне токове течности (~400 km/h). (Suslick 1998)

Постоје различити начини стварања кавитације, на пример помоћу млазница високог притиска, роторско-статорских мешалица или ултразвучних процесора. У свим тим системима улазна енергија се претвара у трење, турбуленцију, таласе и кавитацију. Удео улазне енергије који се претвара у кавитацију зависи од неколико фактора који описују кретање опреме за стварање кавитације у течности. Интензитет убрзања је један од најважнијих фактора који утичу на ефикасно претварање енергије у кавитацију. Веће убрзање ствара веће разлике у притиску. То заузврат повећава вероватноћу стварања вакуумских мехурића уместо стварања таласа који се простиру кроз течност. Дакле, што је убрзање веће, већи је и удео енергије који се претвара у кавитацију.
Код ултразвучног претварача, амплитуда осциловања описује интензитет убрзања. Веће амплитуде доводе до ефикаснијег стварања кавитације. Поред интензитета, течност треба убрзавати тако да губици услед турбуленције, трења и стварања таласа буду минимални. За то је оптимално кретање у једном смеру. Променом интензитета и параметара процеса соникације, ултразвучна обрада може бити веома интензивна или веома блага. То чини ултразвук веома свестраним алатом за различите примене.

Благе примене, у којима се примењује блага соникација у благим условима, обухватају дегазацију, емулговање, као и активацију ензима. Интензивне примене ултразвука високог интензитета/ велике снаге (углавном под повишеним притиском) обухватају мокро млевење, деагломерацију и смањење величине честица, као и дисперговање. За многе примене, као што су екстракција, дезинтеграција или сонохемија, потребан интензитет ултразвука зависи од конкретног материјала који се подвргава соникацији. Захваљујући разноврсним параметрима, који се могу прилагодити појединачном процесу, ултразвук омогућава проналажење оптималних услова за сваки појединачни процес.
Поред изузетне конверзије снаге, ултразвучна обрада нуди велику предност потпуне контроле над најважнијим параметрима: амплитудом, притиском, температуром, вискозношћу и концентрацијом. То омогућава подешавање свих ових параметара ради проналажења идеалних параметара обраде за сваки конкретан материјал. Тиме се постижу већа делотворност и оптимизована ефикасност.

Ултразвук за побољшање процеса ферментације, објашњен на примеру производње биоетанола

Биоетанол је производ разградње биомасе или биоразградиве материје из отпада деловањем анаеробних или аеробних бактерија. Произведени етанол се углавном користи као биогориво.  То чини биоетанол обновљивом и еколошки прихватљивом алтернативом фосилним горивима, као што је природни гас.
За производњу етанола из биомасе, као сировине могу се користити шећер, скроб и лигноцелулозни материјал. У производњи индустријског обима тренутно преовлађују шећер и скроб јер су економски повољни.
Како ултразвук побољшава процес прилагођен појединачном купцу, са одређеном сировином и у датим условима, може се веома једноставно испитати испитивањима изводљивости. У првом кораку, соникација мале количине суспензије сировине ултразвучним лабораторијским уређајем показаће да ли ултразвук утиче на сировину.

Испитивање изводљивости

У првој фази испитивања погодно је унети релативно велику количину ултразвучне енергије у малу запремину течности, јер се тиме повећава могућност да се утврди могу ли се постићи било какви резултати. Мала запремина узорка такође скраћује време коришћења лабораторијског уређаја и смањује трошкове почетних испитивања.
Ултразвучни таласи се преносе са површине сонотроде у течност. Испод површине сонотроде интензитет ултразвука је највећи. Стога су пожељна мала растојања између сонотроде и материјала који се обрађује ултразвуком. Када се ултразвуку излаже мала запремина течности, растојање од сонотроде може се одржавати малим.
Табела испод приказује типичне вредности енергије по запремини за поступке соникације након оптимизације. Пошто се почетна испитивања неће изводити при оптималној конфигурацији, интензитет и трајање соникације од 10 до 50 пута већи од типичних вредности показаће да ли постоји било какав утицај на материјал који се обрађује ултразвуком.

Процес	Енергија/ Запремина	Запремина узорка	Снага	Време
Једноставан	< 100Ws/mL	10mL	50W	< 20 sec
Средњи	100Ws/mL до 500Ws/mL	10mL	50W	20 до 100 sec
Интензиван	> 500Ws/mL	10mL	50W	>100 sec

Табела 1 – Типичне вредности соникације након оптимизације процеса

Стварна улазна снага током пробних обрада може се бележити помоћу уграђене функције за бележење података (UP200Ht и UP200St), интерфејса за рачунар или мерача снаге. У комбинацији са забележеним подацима о подешавању амплитуде и температури, могу се проценити резултати сваког испитивања и утврдити референтна вредност енергије по запремини.
Ако је током испитивања изабрана оптимална конфигурација, њен учинак могао би се проверити у кораку оптимизације и на крају пренети на комерцијални обим производње. Ради олакшавања оптимизације, изричито се препоручује да се испитају и граничне вредности соникације, нпр. температуре, амплитуде или енергије по запремини за одређене формулације. Пошто би ултразвук могао негативно утицати на ћелије, хемикалије или честице, потребно је испитати критичне вредности сваког параметра како би се накнадна оптимизација ограничила на опсег параметара у којем се не уочавају негативни ефекти. За студију изводљивости препоручују се мали лабораторијски или стони уређаји како би се ограничили трошкови опреме и узорака у таквим испитивањима. Уопштено, уређаји снаге од 100 до 1.000 вати веома добро одговарају потребама студије изводљивости. (уп. Hielscher 2005)

Оптимизација

Резултати постигнути током студија изводљивости могу показати прилично велику потрошњу енергије у односу на малу обрађену запремину. Међутим, сврха испитивања изводљивости првенствено је да покаже утицај ултразвука на материјал. Ако су током испитивања изводљивости уочени позитивни ефекти, морају се уложити додатни напори да се оптимизује однос енергије и запремине. То подразумева истраживање идеалне конфигурације ултразвучних параметара како би се постигао највећи принос уз најмању могућу потрошњу енергије, чиме би процес постао економски најоправданији и најефикаснији. Да би се пронашла оптимална конфигурација параметара – којом се постижу жељене користи уз минималан унос енергије – корелација између најважнијих параметара амплитуде, притиска, температуре и састава течности мора се испитати. У овом другом кораку препоручује се прелазак са шаржне соникације на систем за континуирану соникацију са реактором са проточном ћелијом, јер се на важан параметар притиска не може утицати при шаржној соникацији. Током соникације у шаржи, притисак је ограничен на притисак околине. Ако се процес соникације одвија у комори проточне ћелије у којој се може подешавати притисак, притисак се може повећати (или смањити), што генерално утиче на ултразвучну кавитацију у великој мери. Коришћењем проточне ћелије може се утврдити корелација између притиска и ефикасности процеса. Ултразвучни процесори снаге између 500 вати и 2000 вати најпогоднији су за оптимизацију процеса.

Повећање обима до комерцијалне производње

Ако је пронађена оптимална конфигурација, даље повећање обима је једноставно јер су ултразвучни процеси потпуно поновљиви при линеарном повећању обима. То значи да је, када се ултразвук примењује на идентичну формулацију течности при идентичној конфигурацији параметара обраде, потребна иста енергија по јединици запремине да би се добио идентичан резултат, независно од обима обраде. (Hielscher 2005). То омогућава примену оптималне конфигурације ултразвучних параметара у производњи пуног обима. Запремина која се може обрадити ултразвуком практично је неограничена. Доступни су комерцијални ултразвучни системи снаге до 16.000 вати по јединици, који се могу инсталирати у групама. Такве групе ултразвучних процесора могу се повезати паралелно или редно. Инсталирањем ултразвучних процесора велике снаге у групама, укупна снага је готово неограничена, тако да се токови великог запреминског протока могу обрађивати без проблема. Чак и ако је потребно прилагођавање ултразвучног система, нпр. ради подешавања параметара за измењену формулацију течности, то се углавном може постићи заменом сонотроде, појачивача амплитуде или проточне ћелије. Линеарна скалабилност, поновљивост и прилагодљивост ултразвука чине ову иновативну технологију ефикасном и исплативом.

Параметри ултразвучне обраде

Ултразвучна обрада течности описује се низом параметара. Најважнији су амплитуда, притисак, температура, вискозност и концентрација. Резултат процеса, као што је величина честица, за дату конфигурацију параметара представља функцију енергије по јединици обрађене запремине. Функција се мења са променама појединачних параметара. Поред тога, стварна излазна снага по јединици површине сонотроде ултразвучног уређаја зависи од параметара. Излазна снага по јединици површине сонотроде представља површински интензитет (I). Површински интензитет зависи од амплитуде (A), притиска (p), запремине реактора (VR), температуре (T), вискозности (η) и других параметара.

Дејство настале кавитације зависи од површинског интензитета. На исти начин са њим корелира и резултат процеса. Укупна излазна снага ултразвучног уређаја представља производ површинског интензитета (I) и површине (S):

P [W] I [W / mm²]* S[mm²]

Амплитуда

Амплитуда осциловања описује пут (нпр. 50 µm) који површина сонотроде пређе за дато време (нпр. 1/20.000s при 20kHz). Што је амплитуда већа, већа је брзина којом притисак опада и расте при сваком ходу. Поред тога, повећава се запремина истиснута при сваком ходу, што доводи до веће запремине кавитације (величине и/или броја мехурића). При примени на дисперзије, веће амплитуде имају веће разорно дејство на чврсте честице. Табела 1 приказује опште вредности за неке ултразвучне процесе.

Притисак

Тачка кључања течности зависи од притиска. Што је притисак виши, виша је и тачка кључања, и обрнуто. Повишен притисак омогућава кавитацију на температурама близу тачке кључања или изнад ње. Такође повећава интензитет имплозије, који је повезан са разликом између статичког притиска и притиска паре унутар мехурића (уп. Vercet et al. 1999). Пошто се ултразвучна снага и интензитет брзо мењају са променама притиска, пожељна је пумпа са константним притиском. При довођењу течности у проточну ћелију, пумпа треба да буде способна да обезбеди одговарајући проток течности при одговарајућим притисцима. Дијафрагмске или мембранске пумпе; пумпе са савитљивом цеви, цревне или пумпе које раде стискањем црева; перисталтичке пумпе; или клипне или плунжерске пумпе ствараће наизменичне флуктуације притиска. Предност имају центрифугалне пумпе, зупчасте пумпе, спиралне пумпе и пумпе са прогресивним шупљинама, које доводе течност за ултразвучну обраду при непрекидно стабилном притиску. (Hielscher 2005)

Температура

Ултразвучном обрадом течности снага се преноси у медијум. Пошто ултразвучно генерисано осциловање изазива турбуленцију и трење, течност која се ултразвучно обрађује ће се загревати – у складу са законом термодинамике. Повишене температуре обрађиваног медијума могу оштетити материјал и смањити делотворност ултразвучне кавитације. Иновативне ултразвучне проточне ћелије опремљене су расхладним плаштом (видети слику). Тиме се омогућава прецизна контрола температуре материјала током ултразвучне обраде. За ултразвучну обраду мањих запремина у лабораторијској чаши препоручује се ледено купатило за одвођење топлоте.

Вискозност и концентрација

Ултразвучно млевење и дисперговање су процеси који се одвијају у течности. Честице морају бити у суспензији, нпр. у води, уљу, растварачима или смолама. Употребом ултразвучних проточних система могуће је ултразвучно обрађивати веома вискозан, пастозан материјал.
Ултразвучни процесор велике снаге може радити при прилично високим концентрацијама чврсте материје. Висока концентрација обезбеђује делотворност ултразвучне обраде, јер ефекат ултразвучног млевења настаје услед судара честица. Истраживања су показала да брзина уситњавања силицијум-диоксида не зависи од концентрације чврсте материје до 50% масеног удела. Обрада матичних смеша са високим уделом концентрованог материјала уобичајен је производни поступак у коме се користи ултразвучна обрада.

Снага и интензитет у односу на енергију

Површински интензитет и укупна снага описују само интензитет обраде. Да би се описао процес ултразвучне обраде тако да се може повећати његов обим и обезбедити његова поновљивост, морају се узети у обзир запремина узорка који се ултразвучно обрађује и време излагања при одређеном интензитету. За дату конфигурацију параметара, резултат процеса, нпр. величина честица или хемијска конверзија, зависиће од енергије по јединици запремине (E/V).

Резултат = f (E /V )

При чему је енергија (E) производ излазне снаге (P) и времена излагања (t).

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

Промене конфигурације параметара промениће функцију резултата. То ће, заузврат, променити количину енергије (E) потребну за дату вредност узорка (V) да би се добила одређена вредност резултата. Из тог разлога није довољно применити одређену снагу ултразвука у процесу да би се добио резултат. Потребан је сложенији приступ како би се утврдили потребна снага и конфигурација параметара при којој ту снагу треба унети у материјал који се обрађује. (Hielscher 2005)

Производња биоетанола потпомогнута ултразвуком

Већ је познато да ултразвук побољшава производњу биоетанола. Препоручљиво је згуснути течност биомасом до високовискозне суспензије која се и даље може пумпати. Ултразвучни реактори могу да обрађују прилично високе концентрације чврсте материје, тако да се соникација може спроводити уз највећу ефикасност. Што суспензија садржи више материјала, то ће се обрађивати мање носеће течности, која нема користи од соникације. Пошто унос енергије у течност изазива њено загревање у складу са законом термодинамике, то значи да се ултразвучна енергија у највећој могућој мери примењује на циљни материјал. Оваквим ефикасним пројектовањем процеса избегава се непотребно трошење енергије на загревање вишка носеће течности.
Ултразвук потпомаже екстракцију унутарћелијског материјала и тиме га чини доступним за ензимску ферментацију. Благ ултразвучни третман може повећати ензимску активност, али за екстракцију биомасе биће потребан интензивнији ултразвук. Стога ензиме треба додати суспензији биомасе након соникације, јер интензиван ултразвук инактивира ензиме, што је нежељен ефекат.

Актуелни резултати научних истраживања:

Истраживања Yoswathana и сар. (2010) о производњи биоетанола из пиринчане сламе показала су да комбинација киселинског предтретмана и ултразвука пре ензимског третмана доводи до повећаног приноса шећера до 44% (на бази пиринчане сламе). То показује ефикасност комбинације физичког и хемијског предтретмана пре ензимске хидролизе лигноцелулозног материјала у шећер. 

Графикон 2 графички приказује позитивне ефекте ултразвучног озрачивања током производње биоетанола из пиринчане сламе. (Дрвени угаљ је коришћен за детоксикацију узорака претходно подвргнутих киселинском/ензимском предтретману и ултразвучном предтретману.)

У другом недавном истраживању испитан је утицај соникације на ванћелијске и унутарћелијске нивое ензима β-галактозидазе. Sulaiman и сар. (2011) успели су да знатно повећају продуктивност производње биоетанола применом ултразвука при контролисаној температури, чиме су подстакли раст квасца Kluyveromyces marxianus (ATCC 46537). Аутори рада закључују да је испрекидана соникација ултразвуком велике снаге (20 kHz) при радним циклусима од ≤20% подстакла производњу биомасе, метаболизам лактозе и производњу етанола код K. marxianus при релативно високом интензитету соникације од 11,8Wcm². У најбољим условима, соникација је повећала коначну концентрацију етанола готово 3,5 пута у односу на контролу. То је одговарало повећању продуктивности етанола од 3,5 пута, али је захтевало додатни унос снаге од 952W по кубном метру ферментационе подлоге путем соникације. Овај додатни захтев за енергијом свакако је био у оквиру прихватљивих оперативних норми за биореакторе и, код производа високе вредности, могао се лако надокнадити повећаном продуктивношћу.

Закључак: Предности ферментације потпомогнуте ултразвуком

Ултразвучни третман се показао као ефикасна и иновативна техника за повећање приноса биоетанола. Ултразвук се првенствено користи за екстракцију унутарћелијског материјала из биомасе, као што су кукуруз, соја, слама, лигноцелулозни материјал или биљни отпадни материјали.

• Повећање приноса биоетанола
• Дезинтеграција/ Разарање ћелија и ослобађање унутарћелијског материјала
• Побољшана анаеробна разградња
• Активација ензима благом соникацијом
• Побољшање ефикасности процеса применом висококонцентрованих суспензија

Једноставно испитивање, поновљиво повећање размере процеса и лака уградња (такође и у већ постојеће производне токове) чине ултразвучну технологију исплативом и ефикасном. Доступни су поуздани индустријски ултразвучни процесори за комерцијалну обраду који омогућавају соникацију практично неограничених запремина течности.