Fermentaciju

Fermentacija može biti aerobik (= oksidativna Fermentacija) ili anaerobni proces, koji se koristi za biotatroničke aplikacije za pretvaranje organske materije bakterijske, gljivične ili druge biološke ćelijske kulture ili enzime. Fermentacijom, energija se izdvajaju od oksidacije organskih jedinjenja, npr.

Šećer je najuobičajeniji primer fermentacije, što je rezultiralo nakon Fermentacija u proizvodima kao što su lacna kiselina, laktošeta, etanol i hidrogen. Za alkoholna Fermentacija, etanol – naročito za korišćenje kao gorivo, ali i za alkoholna pića – se proizvodi Fermentacija. Kada su izvesne vrste kvasca, kao Sakcharomices cerevisae metabolize šećer, ćelije kvasca konvertuju početni materijal u etanol i ugljen-dioksida.

Hemijske jednačine ispod rezimiraju konverziju:

Ako je početni materijal skrob, npr. od kukuruza, prvo se skrobom pretvara u šećer. Za bioetanol se koristi kao gorivo, potrebno je hidrolitze za konverziju skroba. Obično se radi o hidroliteksovoj ili enmatskom lečenju ili u kombinaciji oba. Normalno, fermentacija se vrši na oko 35 – 40 ° c.
Pregled različitih procesa fermentacije:

Hranu:

• производња & Oиuvanje
• Mlečna (laktička kiselinski Fermentacija), npr. jogurt, lemleko, kejela
• laktički fermentiran povrće, npr. kimchi, Miso, NATTO, tsukemono, kupusu
• razvoj aromatics, npr. soja sos
• raspadanje agenata za taning, npr. čaj, kakao, kafa, duvan
• alkoholna pića, na primer pivo, vino, viski

Drogu:

• Proizvodnja medicinskih jedinjenja, npr. insulin, Hijaluronska kiselina

Biogas/etanol:

• unapređenje proizvodnje biogas/bioetanola

Razni istraživački radovi i testovi na vrhu i kod pilota su pokazali da Ultrazvučni proces poboljšava fermentaciju tako što je za enmatsku fermentaciju na raspolaganju još biomase. U sledećem odeljku biće razrađeni efekti ultrazvuk u tečnosti.

Efekti Ultrasonne tečne obrade

Za ultrazvuk visoke snage/low-frekventnosti High amplitudes se može generisati. Time se može koristiti ultrazvuk visoke snage/niskog frekvencije za preradu tečnosti kao što su mešanje, Emuliranje, raspršivanje i deagglomeration, ili glodalice.
Kada se na visokim intenzivnostima gleda tečnosti, zvučni talasi koji se prenose u tečnost za tečni medij u skladu sa naizmenostima visokog pritiska (kompresija) i ciklusima niskog pritiska (rarefrakcije), sa stopama u zavisnosti od učestalosti. Za vreme ciklusa niskog pritiska, ultrasonični talasi stvaraju male vakuumske mehuriće ili voids u tečnosti. Kada mehurići imaju volumen na kome više ne mogu da apsorbuju energiju, oni se na taj način skupljaju tokom ciklusa visokog pritiska. Ovaj fenomen je nazvao kavitacijom. кавитацијаto je “formiranje, rast i implozivni kolaps mehurića u tečnoj. Kavitacioni kolaps proizvodi intenzivno lokalno grejanje (~ 5000 K), visoke pritiske (~ 1000 ATM) i ogromne stope grejanja i hlađenja (>109 К / сец)” i tečni mlazni tokovi (~ 400 kmč)». (Suslik 1998)

Postoje različiti znaci za stvaranje Kavitacija, kao što su Mlaznjaci visokog pritiska, mikseri za rotora ili ultrasonični procesori. U svim tim sistemima ulazna energija se transformiše u trenje, turbulencija, talase i kavitaciju. Delić ulazne energije koja se transformiše u kavitaciju zavisi od nekoliko faktora koji opisuju kretanje kavitacije koje stvara opremu u tečnoj. Intenzitet ubrzanja jedan je od najvažnijih faktora koji utiču na efikasnu transformaciju energije u kavitaciju. Veće ubrzanje stvara veće razlike u pritisku. Ovo zauzvrat povećava verovatnoću stvaranja usisnih mehurića umesto stvaranja talasa koji se propagiraju kroz tečnost. Dakle, što je više ubrzanje veće je deo energije koji se transformiše u kavitaciju.
U slučaju ultrasonovog prolaznosti, pojačanjem oscilacija opisuje intenzitet ubrzanja. Viši amplitudes rezultira efikasnijom stvaranjem Kavitacija. Pored intenziteta, tečnost treba da se ubrza na način kako bi se stvorili minimalni gubici u pogledu turbulencija, trenje i talasnog generisanja. Na taj način, optimalni put je unilateralni pravac kretanja. Promenom intenziteta i parametara procesa sonsikacija, ultrazvuk može biti veoma težak ili veoma mekan. Ovo čini ultrazvuk veoma raznovrstan alat za različite aplikacije.

Meke aplikacije, primenom blaga sonacija pod blagim uslovima, uključuju дегазирање, Емулгирањеi enme aktivacija. Čvrste aplikacije sa visokim intenzitetom/visoko-kvalitetnom ultrazvukom (uglavnom pod punim pritiskom) su мокро млевење, деаггломератион & Redukcija veličine čestica, i Дисперсинг. Za mnoge aplikacije kao što su Екстракција, dezintegracije ili Сонохемија, zahtevan je ultrasonični intenzitet zavisi od specifičnog materijala koji treba da se Sonje. Po raznim parametrima, koji se mogu adaptirati na pojedinačni proces, ultrazvuk omogućava pronalaženje slatke tačke za svaki pojedinačni proces.
Pored izuzetne konverzije energije, ultrazvučnost nudi veliku prednost pune kontrole od najvažnijih parametara: Pojačanosti, pritiska, temperature, viskoznosti i koncentracije. Ovo nudi mogućnost prilagođavanja svih ovih parametara sa ciljem pronalaženja idealnih parametara obrade za svaki određeni materijal. To rezultira većom efikasnošću, kao i sa optimizovanu efikasnost.

Ultrazvuk za unapređivanje procesa fermentacije, objasnio je u primeru za proizvodnju bioetanola

Bioetanol je proizvod degradiće biomase ili biorazgradnog pitanja otpada od strane anaerobnih ili aerobnih bakterija. Proizvedeni etanol se uglavnom koristi kao biogorgorivo. To čini bioetanola obnovljivoj i ekološki prijateljskom alternativom za fosilno gorivo, kao što je prirodni gas.
Za proizvodnju etanola od biomase, šećera, skroba i lignocelulošić materijala se može koristiti kao feedstok. Za industrijsku proizvodnju, šećer i skrob su trenutno dominantni kada su ekonomski povoljni.
Kako ultrazvuk poboljšava pojedinačni proces sa specifičnim feedom pod datim uslovima može da se sudi veoma jednostavnim testovima izvodljivosti. U prvom koraku, sonsikaciju male količine sirovina sa ultrasonnom laboratorijski uređaj će pokazati, ako ultrazvuk utiče na lageru.

Ispitivanje izvodljivosti

U prvoj fazi testiranja, pogodno je uvesti relativno visoku količinu ultrasonove energije u malu količinu tečnosti, kao i mogućnost povećanja da se vidi da li se mogu dobiti neki rezultati. Mali uzorak volumena takođe skraćuje vreme pomoću laboratorijskih uređaja i smanjuje troškove za prve testove.
Ultrazvučni talasi se prenose preko površine sonotice u tečnost. Beneth površina sonotona, najintenzivniji je intenzitet ultrazvukom. Zato su kratka rastojanja između sonotona i sononkog materijala poželjna. Kada se pokaže mali tečni volumen, udaljenost od sonotona može biti kratka.
Sledeća tabela prikazuje tipične nivoe energije/volumena za procese sonacija nakon optimizacije. S obzirom da se prva suđenja neće pokretati u optimičnoj konfiguraciji, intenzitetu i vremenu za 10 do 50 puta od tipične vrednosti prikazaće se ako postoji bilo kakav efekat na taj materijal ili ne.

процес	Energije обим	Uzorak jačine zvuka	Moж	време
Jednostavno	< 100Ws/mL	10mL	50В	< 20 sec
Srednje	100Ws/mL do 500Ws/mL	10mL	50В	20 do 100 sec
Teљko	> 500Ws/mL	10mL	50В	>100 sec

Tabela 1 – Tipične vrednosti sonacija posle optimizacije procesa

Stvarni unos napajanja pokretanja testa može da se snimi putem integrisanih podataka za snimanje (УП200Хт i UP200St), PC-interfejs ili pod. U kombinaciji sa zapisenim podacima o pojačanim postavkama i temperaturi, rezultati svakog eksperimenta mogu se proceniti i može se uspostaviti donja linija za energiju/volumen.
Ako se za vreme testova izabere optimalna konfiguracija, ova performansi konfiguracije se mogu verifikovati tokom koraka optimizacije i može se konačno podesiti na komercijalnom nivou. Da bi se olakšala optimizacija, veoma je preporučljivo proučiti limite sonacija, npr. temperaturu, pojačavanja ili energiju/volumen za pojedine formulacije. Kako bi ultrazvuk mogao da stvori negativne efekte na ćelije, hemikalije ili čestice, kritičan nivo za svaki parametar treba ispitati da bi se sledeća optimizacija ograničila na opseg parametra gde se ne poštuju negativni efekti. Za studiju izvodljivosti mala laboratorija ili jedinice najvišeg vrha se preporučuju da ograniče troškove za opremu i uzorke u tim suđenjima. Generalno 100 za 1.000 Vots jedinice su vrlo dobro poslužili u svrhu studije izvodljivosti. (uporedi Hielscher 2005)

Optimizacija

Rezultati postignuti tokom studija izvodljivosti mogu da pokažu prilično visoku potrošnju energije u vezi sa malim volumenima koja se tretira. Međutim, svrha testiranja izvodljivosti je prvenstveno da se pokaže uticaj ultrazvuk na materijal. Ako se u testiranju izvodljivosti pojave pozitivni efekti, moraju se učiniti dalji napori da se optimizuju energetski/zapreminni odnos. To znači istražiti idealnu konfiguraciju ultrazvučnih parametara kako bi se postigao najviši prinos uz korišćenje manje energije kako bi proces bio ekonomski najrazumniji i efikasan. Da biste pronašli optimalnu konfiguraciju parametara – sticanje nameravanog korišćenja uz minimalna energetska ulaza – korelacija između najvažnijih parametara pojačanje, pritisak, temperatura и Teиnost Mora da bude pod istragom. U ovom drugom koraku promena iz grupne obrade u kontinuiran način instalacije u ćeliji toka se preporučuje kao važan parametar pritiska koji se ne može uticati na grupne sonsikaciju. Tokom sonse u grupi, pritisak se ograničava na ambijentalni pritisak. Ako proces sonsikacija prođe kroz veliku komoru za mobilni telefon, pritisak može biti povišen (ili smanjen), što uopšteno utiče na ultrasonnu кавитација Drastično. Korišćenjem ćelije toka, može se utvrditi odnos između pritiska i efikasnosti procesa. Ultrasonični procesori između 500 вати и 2000 Vots na vlasti su najprikladnije za optimizovanje procesa.

Razmera-do komercijalne produkcije

Ako se pronađe optimalna konfiguracija, dalja razmera je jednostavna kao i ultrasonični procesi kompletno ponovno produktivan na linearnoj Skali. To znači, kada je ultrazvuk primenjen na identičnu likvidnu formulaciju pod istovetnom konfiguracijom parametra obrade, potrebna je ista energija po jedinici da bi se dobio isti rezultat nezavisno od razmere obrade. (Hielscher 2005). To omogućava primenu optimalnog podešavanja parametara ultrazvukom na kompletnu veličinu proizvodnje. Praktično, volumen koji se može obraditi ultrasonično je neograničen. Komercijalni ultrasonični sistemi sa do 16.000 Vots po jedinici su dostupne i mogu se instalirati u klasterima. Takvi klasteri ultrasonnog procesora mogu se instalirati paralelno ili u grupama. Od strane klastera-mudra instalacija visokoenergetskih procesora, ukupna sila je skoro neograničena tako da se visoke tokove podataka mogu obraditi bez problema. Takođe, ako je potrebno adaptaža ultrasonovog sistema, npr. da biste podesili parametre na izmenjenu likvidnu formulaciju, to se može uglavnom uraditi promenom sonotona, servera ili ćelije toka. Linearna skalabilnost, reproduktivna i prilagodljivost ultrazvukom čine ovu inovativnu tehnologiju efikasnom i ekonomistom.

Parametri Ultrasonove obrade

Ultrazvučna obrada ultrasonje opisana u brojnim parametrima. Najvažnije su pojačanosti, pritisak, temperatura, viskoznost i koncentracija. Rezultat procesa, kao što je veličina čestica, za datu konfiguraciju parametra je funkcija za energiju po obrađenom volumenu. Funkcija se menja sa izmenama u pojedinačnim parametrima. Pored toga, stvarna proizvodnja energije po površini površine sonotice sa ultrasonove jedinice zavisi od parametara. Proizvodnja struje po površini površine sonotona je intenzitet površinskog intenziteta (I). Intenzitet površine zavisi od pojačanja (A), pritiska (p), jačine reaktora (VR), temperature (T), viskoznosti (whowa) i drugih.

Uticaj stvorene kavitacije zavisi od intenziteta površine. Na isti način, rezultat procesa je corodnosi. Ukupna vrednost energije ultrasonove jedinice je proizvod intenziteta površine (I) i površina (S):

P [W] Sam [W / Mm²]* S[Mm²]

amplitude

Pojačavanje oscilacija opisuje put (npr. 50 μm), sonotona površina putuje u datom trenutku (npr. 1/20, 000s na 20kHz). Što je veća, veća je i brzina kojom se pritisak smanjuje i povećava u svakom potezu. Pored toga, premeštanje jačine zvuka za svaki rezultat udara povećava jačinu tona kavitacije (veličina mehurića i/ili broj). Kada se primenjuje na "raspršivosti", viša amplitudes pokazuje veću destrukcnost do čvrstih čestica. Tabela 1 prikazuje opšte vrednosti za neke ultrasonove procese.

Pritisak

Tačka ključanja tečnosti zavisi od pritiska. Što je viši pritisak viši je tačka ključanja i obrnuto. Povišeni pritisak omogućava kavitaciji na temperaturama blizu ili iznad tačke ključanja. Takođe se povećava intenzitet implozije, koji je vezan za razliku između statičkog pritiska i parnog pritiska unutar mehurića (uporedi. Vercet et Al. 1999). S obzirom da se ultrasonova snaga i intenzitet brzo menjaju promenama u pritisku, to je povoljnije pumpa za stalnu pritisak. Prilikom nabavke tečnosti u tok-ćeliju pumpa bi trebalo da bude u stanju da sa odgovarajućim pritiscima rešava određeni tečni tok. Pelafragne pumpe, elastične cevi, crevo ili stisne pumpe; peristaličke pumpe; ili pistavac ili na gpinger pumpa će stvoriti naizmenične fluktuacije pritiska. Centrifugalne pumpe, pumpe za opremu, spirale pumpe i progresivne šupljine koje snabdevaju tečnost koje su u neprekidnom stabilnom pritisku su poželjne. (Hielscher 2005)

температура

Na osnovu tečnosti, napajanje se prenosi u medijum. Kao ultrasonično generisana oscilacija izaziva turbulencija i trenje, likvidna tečnost – u skladu sa zakonom thermodinamika – će se zagrejati. Povišene temperature prerađenog medijuma mogu biti destruktivne za materijal i smanjiti efektivnost ultrasontivne kavitacije. Inovativne ultrasonove ćelije toka su opremljene pomoću jakne za hlađenje (pogledajte sliku). Time je data tačna kontrola temperature materijala tokom obrade ultrasonne. Za razakiranje manjih Zapremina, preporučuje se ledeni kupina za razisanje toplote.

Viskoznost i koncentracija

Ultrazvučna глодање и Дисперсинг su tečni procesi. Čestice moraju biti u suspenziji, npr. u vodi, ulje, bonentima ili prepone. Upotrebom ultrasonnog toka-kroz sisteme, moguće je da se radi o veoma viznom, pauknom materijalu.
Visokokvalitetni ultrasonični procesor može da se pokrene u prilično visokoj koncentracijama. Visoka koncentracija obezbeđuje efektivnost ultrasonične obrade, s obzirom da je ultrasonični glodalski efekat izazvan međučestica. Istraga je pokazala da je stopa preopterećenja kvarcom nezavisna od čvrste koncentracije do 50 odsto u težini. Obrada glavnih grupa sa visoko koncentrisana odnosom materijala je uobičajena procedura proizvodnje pomoću ultrasonacija.

Snaga i intenzitet u odnosu na energiju

Intenzitet površinskog i totalne moći samo opisuju intenzitet prerade. Uzorak jačine zvuka i vreme ekspozicije na određenom intenzitetu moraju se smatrati za opisivanje procesa sonzivanja kako bi ga učinili podesivim i preproduktivnim. Za datu konfiguraciju parametra rezultat procesa, npr. veličina čestica ili hemijske konverzije zavisiće od energije po volumenu (E/V).

Rezultat = F (E /V )

Gde je energija (E) proizvod proizvodnje struje (P) i vremena izlaganja (t).

E[Ws] = P[W]*т[S]

Promene u konfiguraciji parametra će promeniti funkciju rezultata. Ovo će zauzvrat razlikovati količinu energije (E) koja je potrebna za datu probnu vrednost (V) da bi se dobila određena vrednost rezultata. Zbog toga nije dovoljno da se primeni određena snaga ultrazvukom na proces da bi se dobio rezultat. Potrebno je sofisticiraniji pristup da bi se identifikovao potreban stepen napajanja i konfiguracija parametra na kojoj bi trebalo da se postavi napajanje u procesnom materijalu. (Hielscher 2005)

Ultrasonično potpomognuta proizvodnja bioetanola

Ona već zna da ultrazvuk poboljšava proizvodnju bioetanola. Smisleno je da se ta tečnost uguši od biomase do izuzetno viskoznih slurija koja je i dalje pumpable. Ultrasonični reaktori mogu da obrađuju prilično visoku koncentraciju tako da proces sonse može da se pokrene najefikasnije. Više materijala se nalazi u sluriji, manjoj tečnoj tečnosti, koja neće profitirati od procesa sontaže, biće tretirano. Kako ulazak energije u tečnost prouzrokuje grejanje tečnosti prema zakonu thermodinamika, to znači da se ultrasonova energija primenjuje na ciljni materijal, što je moguće daleko. Tako efikasnom dizajnu procesa izbegnuta je rasipanje viška tečnih prevoznika.
Ultrazvuk pomaže Екстракција intraćelijskog materijala i čini ga na taj način dostupan za enmatsku fermentaciju. Blagog ultrazvučnog tretmana može da poboljša enmatsku aktivnost, ali će biti potrebna i vađenje biomase. Prema tome, enzima bi trebalo da se doda i na biomase, nakon što se sonuje intenzivna ultrazvuk inaktivira enzima, što nije željeni efekat.

Aktuelni rezultati ostvareni naučnim istraživanjima:

Studije Yoswathana et Al. (2010) u vezi sa bioethaninom iz slamke pirinča su pokazale da spoj kiselinski predlečenja i ultrasonže pre enmatic tretmana vodi do povećane prinosa šećera do 44% (na bazi pirinčanske osnove). Ovo pokazuje efektivnost kombinacije fizičkog i hemijskog prelečenja pre enmatske hidrolitije lignoceluloznih materijala za šećer.

Grafikon 2 ilustruje pozitivne efekte ultrasonne radijacije tokom proizvodnje bioetanola u proizvodnji pirinča. (Žugalj je korišten za detokiranje pretretiranih uzoraka sa kiselinom/enme pretretmanom i ultrasonični prelečenje.)

U drugoj novijoj studiji, na ispitu je razmatran uticaj ultrazvučnosti na vancelularnu i intracelularni nivo β-galactosidase enme. Sulaiman et Al. (2011) može da poboljša produktivnost bioetanola u znatnoj meri, koristeći ultrazvuk na kontrolisanom temperaturi, čime se stimuliše rast kvasca Kluyveromyces markianus (ATCC 46537). Autori papira se nastavlja da Povremene smetnje sa ultrazvukom napajanja (20 kHz) na duznim ciklusima ≤ 20% stimulisane proizvodnje biomase, "laktoza metabolizam i etanol" u K. markianus, na relativno visokom intenzitetu 11.8 WCM⁻². Prema najboljim uslovima, sonovi su poboljšali konačnu etanol koncentraciju za skoro 3,5-puta u odnosu na kontrolu. Ovo je u skladu sa 3,5-puta u pogledu produktivnosti etanola, ali je potrebna 952W dodatnog ulaza moći po kubnom metru metle kroz soniranost. Ovaj dodatni uslov za energiju svakako je bio u okviru prihvatljivih operativnih normi za bioreaktore i, za proizvode visoke vrednosti, lako može biti obeštećen većom produktivnošću.

Zaključak: beneficije od ultrazvučne fermentacije

Ultrasonični tretman je prikazan kao efikasna i inovativna tehnika za poboljšanje prinosa bioetanola. Pre svega, ultrazvuk se koristi za izdvajanje intraćelijskog materijala od biomase, kao što su kukuruz, soje, slamka, ligno-celulošić materijal ili biljna sirovina.

• Porast prinosa na bioetanol
• Dezinteracija/nepovjerenje i puštanje u intercelularni materijal
• Poboljšani anaerobni depolozaj
• Aktiviranje enzima od strane blagih sonacija
• Unapređenje efikasnosti procesa od strane visokih koncentracionih slurnih

Jednostavna ispitivanja, reproduktivna podešavanja i laka instalacija (takođe u postojećim tokovima proizvodnje) čine ultrasoniku profitabilnu i efikasnu tehnologiju. Pouzdani industrijski ultrasonični procesori za komercijalnu obradu su dostupni i omogućavaju da se na taj mogući broj Praktično neograničeno likvidna Zapremina.