Ултразвучно потпомогнута ферментација за производњу биоетанола

Ферментација уз помоћ ултразвука може побољшати производњу биоетанола промовишући разлагање сложених угљених хидрата у једноставније шећере, чинећи их лакшим за квасац за претварање у етанол. Истовремено, соникација такође побољшава ефикасност пропусности ћелијског зида квасца, омогућавајући брже ослобађање етанола и повећану укупну производњу. На тај начин, ултразвучно потпомогнута ферментација биоетанола доводи до виших стопа конверзије и побољшаних приноса.

ферментација

Ферментација може бити аеробни (= оксидативна ферментација) или анаеробни процес, који се користи за биотехнолошке примене за претварање органског материјала бактеријским, гљивичним или другим биолошким културама ћелија или ензимима. Ферментацијом се енергија издваја из оксидације органских једињења, нпр. угљених хидрата.
Шећер је најчешћи супстрат ферментације, који након ферментације настаје у производима као што су млечна киселина, лактоза, етанол и водоник. За алкохолну ферментацију, етанол – посебно за употребу као гориво, али и за алкохолна пића – настаје ферментацијом. Када одређени сојеви квасца, као нпр саццхаромицес церевисиае метаболизирају шећер, ћелије квасца претварају почетни материјал у етанол и угљен-диоксид.

Хемијске једначине у наставку сумирају конверзију:

Ако је почетни материјал скроб, нпр. из кукуруза, скроб се прво мора претворити у шећер. За биоетанол који се користи као гориво, потребна је хидролиза за конверзију скроба. Типично, хидролиза се убрзава киселим или ензимским третманом или комбинацијом оба. Нормално, ферментација се одвија на око 35-40 °Ц.
Преглед различитих процеса ферментације:

Храна :

• производње & чување
• млечни производи (ферментација млечне киселине), нпр. јогурт, млаћеница, кефир
• млечно ферментисано поврће, нпр. кимчи, мисо, нато, цукемоно, кисели купус
• развој ароматика, нпр. соја сос
• разлагање средстава за штављење, нпр. чај, какао, кафа, дуван
• алкохолна пића, нпр. пиво, вино, виски

дроге:

• производња медицинских једињења, нпр. инсулина, хијалуронске киселине

Биогас/етанол:

• побољшање производње биогаса/биоетанола

Различити истраживачки радови и тестови у величини стола и пилоту показали су да ултразвук побољшава процес ферментације тако што чини више биомасе доступном за ензимску ферментацију. У следећем одељку биће елаборирани ефекти ултразвука у течности.

Ефекти ултразвучне обраде течности

Ултразвуком велике снаге/ниске фреквенције могу се генерисати високе амплитуде. На тај начин, ултразвук велике снаге/ниске фреквенције може се користити за обраду течности као што је мешање, емулговање, дисперговање и деагломерација или млевење.
Када ултразвучно обрађујете течности високог интензитета, звучни таласи који се шире у течне медије резултирају наизменичним циклусима високог притиска (компресија) и ниског притиска (разређивање), са брзинама које зависе од фреквенције. Током циклуса ниског притиска, ултразвучни таласи високог интензитета стварају мале вакуумске мехуриће или празнине у течности. Када мехурићи достигну запремину при којој више не могу да апсорбују енергију, насилно се колабирају током циклуса високог притиска. Овај феномен се назива кавитација. кавитација, то је “формирање, раст и имплозивни колапс мехурића у течности. Кавитацијски колапс производи интензивно локално загревање (~5000 К), високе притиске (~1000 атм) и огромне брзине грејања и хлађења (>109 К/сец)” and liquid jet streams (~400 km/h)”. (Suslick 1998)

Постоје различити начини за стварање кавитације, као што су млазнице високог притиска, миксери ротор-статор или ултразвучни процесори. У свим тим системима улазна енергија се трансформише у трење, турбуленције, таласе и кавитацију. Део улазне енергије који се трансформише 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 ефикасну трансформацију енергије у кавитацију. Веће убрзање ствара веће разлике у притиску. Ово заузврат повећава вероватноћу стварања вакуумских мехурића уместо стварања таласа који се шире кроз течност. Дакле, што је веће убрзање то је већи део енергије који се трансформише у кавитацију.
У случају ултразвучног претварача, амплитуда осциловања описује интензитет убрзања. Веће амплитуде резултирају ефикаснијим стварањем кавитације. Поред интензитета, течност треба убрзати на начин да створи минималне губитке у смислу турбуленција, трења и стварања таласа. За ово је оптималан начин једнострани правац кретања. Променом интензитета и параметара процеса соникације, ултразвук може бити веома тврд или веома мекан. Ово чини ултразвук веома разноврсним алатом за различите примене.

Меке апликације, примена благе соникације у благим условима, укључују отплињавање, Емулгирајућеи активацију ензима. Тешке примене са ултразвуком високог интензитета/велике снаге (углавном под повишеним притиском). мокро млевење, деагломерација & смањење величине честица, и Дисперсинг. За многе апликације као што су Екстракција, распад или Соноцхемистри, тражени ултразвучни интензитет зависи од специфичног материјала који се обрађује. Захваљујући разноврсности параметара, који се могу прилагодити појединачном процесу, ултразвук омогућава проналажење најбоље тачке за сваки појединачни процес.
Поред изванредне конверзије снаге, ултразвук нуди велику предност пуне контроле над најважнијим параметрима: амплитудом, притиском, температуром, вискозитетом и концентрацијом. Ово нуди могућност подешавања свих ових параметара у циљу проналажења идеалних параметара обраде за сваки конкретан материјал. Ово доводи до веће ефикасности као и до оптимизоване ефикасности.

Ултразвук за побољшање процеса ферментације, што је примерно објашњено производњом биоетанола

Биоетанол је производ разградње биомасе или биоразградивих материја отпада од стране анаеробних или аеробних бактерија. Произведени етанол се углавном користи као биогориво. Ово чини биоетанол обновљивом и еколошки прихватљивом алтернативом за фосилна горива, као што је природни гас.
За производњу етанола из биомасе, шећер, скроб и лигноцелулозни материјал се могу користити као сировина. За величину индустријске производње тренутно доминирају шећер и скроб јер су економски повољни.
Како ултразвук побољшава индивидуални процес купца са специфичном сировином под датим условима може се врло једноставно испробати тестовима изводљивости. У првом кораку, ултразвучна обрада мале количине суспензије сировине лабораторијски уређај ће показати да ли ултразвук утиче на сировину.

испитивање изводљивости

У првој фази тестирања, погодно је увести релативно велику количину ултразвучне енергије у малу запремину течности јер се тиме повећава шанса да се види да ли се могу добити неки резултати. Мала запремина узорка такође скраћује време коришћења лабораторијског уређаја и смањује трошкове за прве тестове.
The ultrasound waves are transmitted by the sonotrode’s surface into the liquid. Beneth the sonotrode surface, the ultrasound intensity is most intense. Thereby, short distances between sonotrode and sonicated material are preferred. When a small liquid volume is exposed, the distance from the sonotrode can be kept short.
Табела испод приказује типичне нивое енергије/запремина за процесе соникације након оптимизације. Пошто прва испитивања неће бити изведена у оптималној конфигурацији, интензитет и време ултразвука за 10 до 50 пута од типичне вредности показаће да ли постоји било какав ефекат на ултразвучни материјал или не.

Процес	енергија/ обим	Сампле Волуме	Снага	време
једноставан	< 100Вс/мЛ	10мЛ	50В	< 20 сец
Средње	100Вс/мЛ до 500Вс/мЛ	10мЛ	50В	20 до 100 сек
Тешко	> 500 Вс/мЛ	10мЛ	50В	>100 сец

Табела 1 – Типичне вредности соникације након оптимизације процеса

Стварна улазна снага пробних вожњи може се снимити путем интегрисаног снимања података (УП200Хт и УП200Ст), ПЦ-интерфејсом или мерачем снаге. У комбинацији са снимљеним подацима подешавања амплитуде и температуре, резултати сваког испитивања се могу проценити и може се утврдити крајњи резултат за енергију/запремину.
Ако је током тестова изабрана оптимална конфигурација, перформансе ове конфигурације могу бити верификоване током корака оптимизације и коначно се могу повећати на комерцијални ниво. Да би се олакшала оптимизација, топло се препоручује да се испитају границе ултразвучне обраде, нпр. температура, амплитуда или енергија/запремина за специфичне формулације. Пошто ултразвук може да генерише негативне ефекте на ћелије, хемикалије или честице, потребно је испитати критичне нивое за сваки параметар како би се следећа оптимизација ограничила на опсег параметара где се негативни ефекти не примећују. За студију изводљивости препоручују се мале лабораторијске или стоне јединице како би се ограничили трошкови за опрему и узорке у таквим испитивањима. Генерално, јединице од 100 до 1.000 вати одлично служе сврси студије изводљивости. (уп. Хиелсцхер 2005)

оптимизација

Резултати постигнути током студија изводљивости могу показати прилично високу потрошњу енергије у погледу мале запремине третиране. Али сврха теста изводљивости је првенствено да покаже ефекте ултразвука на материјал. Ако се у тестирању изводљивости појаве позитивни ефекти, морају се уложити додатни напори да се оптимизује однос енергија/запремина. То значи да се истражи идеална конфигурација ултразвучних параметара како би се постигао највећи принос користећи мање могуће енергије како би процес био економски најефикаснији и најефикаснији. Да бисте пронашли оптималну конфигурацију параметара – постизање жељене користи уз минимални уложени енергент – корелација између најважнијих параметара амплитуда, притисак, температура и течност састав се мора испитати. У овом другом кораку препоручује се промена са серијске соникације на континуалну конфигурацију соникације са реактором са проточним ћелијама јер се не може утицати на важан параметар притиска за серијско соникацију. Током соникације у серији, притисак је ограничен на притисак околине. Ако процес соникације прође кроз комору за проточне ћелије под притиском, притисак може бити повишен (или смањен) што генерално утиче на ултразвучни кавитација драстично. Коришћењем проточне ћелије може се одредити корелација између притиска и ефикасности процеса. Ултразвучни процесори између 500 вати и 2000 вати снаге су најпогоднији за оптимизацију процеса.

Повећање до комерцијалне производње

Ако је пронађена оптимална конфигурација, даље повећање је једноставно као и ултразвучни процеси потпуно поновљиво на линеарној скали. То значи, када се ултразвук примени на идентичну течну формулацију под идентичном конфигурацијом параметара обраде, потребна је иста енергија по запремини да би се добио идентичан резултат независно од обима обраде. (Хилшер 2005). То омогућава имплементацију оптималне конфигурације параметара ултразвука до пуне производне величине. Практично, запремина која се може ултразвучно обрадити је неограничена. Комерцијални ултразвучни системи са до 16.000 вати по јединици су доступни и могу се инсталирати у кластерима. Такви кластери ултразвучних процесора могу се инсталирати паралелно или серијски. Инсталацијом ултразвучних процесора велике снаге у кластеру, укупна снага је скоро неограничена тако да се токови великог обима могу обрадити без проблема. Такође, ако је потребна адаптација ултразвучног система, нпр. за прилагођавање параметара модификованој течној формулацији, то се углавном може урадити променом сонотроде, бустера или проточне ћелије. Линеарна скалабилност, репродуктивност и прилагодљивост ултразвука чине ову иновативну технологију ефикасном и исплативом.

Параметри ултразвучне обраде

Ултразвучна обрада течности је описана бројним параметрима. Најважнији су амплитуда, притисак, температура, вискозитет и концентрација. Резултат процеса, као што је величина честица, за дату конфигурацију параметара је функција енергије по обрађеној запремини. Функција се мења са изменама појединачних параметара. Штавише, стварна излазна снага по површини сонотроде ултразвучне јединице зависи од параметара. Излазна снага по површини сонотроде је површински интензитет (И). Површински интензитет зависи од амплитуде (А), притиска (п), запремине реактора (ВР), температуре (Т), вискозитета (η) и др.

Утицај генерисане кавитације зависи од површинског интензитета. На исти начин корелира резултат процеса. Укупна излазна снага ултразвучне јединице је производ површинског интензитета (И) и површине (С):

стр [в] И [в / мм²]* с[мм²]

амплитуда

Амплитуда осцилације описује пут (нпр. 50 µм) површине сонотроде у датом времену (нпр. 1/20,000с на 20кХз). Што је већа амплитуда, то је већа брзина којом се притисак смањује и повећава при сваком удару. Поред тога, запреминско померање сваког потеза се повећава, што резултира већом запремином кавитације (величина и/или број мехурића). Када се примењују на дисперзије, веће амплитуде показују већу деструктивност на чврсте честице. Табела 1 приказује опште вредности за неке ултразвучне процесе.

притисак

Тачка кључања течности зависи од притиска. Што је притисак већи, то је већа тачка кључања, и обрнуто. Повишени притисак омогућава кавитацију на температурама близу или изнад тачке кључања. Такође повећава интензитет имплозије, што је повезано са разликом између статичког притиска и притиска паре унутар мехурића (уп. Верцет ет ал. 1999). Пошто се ултразвучна снага и интензитет брзо мењају са променама притиска, пожељна је пумпа са константним притиском. Приликом довода течности у проточну ћелију, пумпа треба да буде способна да управља специфичним протоком течности при одговарајућим притисцима. Мембранске или мембранске пумпе; пумпе са флексибилним цевима, цревима или пумпама за стискање; перисталтичке пумпе; или клипна или клипна пумпа ће створити наизменичне флуктуације притиска. Пожељне су центрифугалне пумпе, зупчасте пумпе, спиралне пумпе и пумпе са прогресивном шупљином које снабдевају течност коју треба соникирати под континуирано стабилним притиском. (Хилшер 2005)

температура

Соникацијом течности, снага се преноси у медијум. Како ултразвучно генерисана осцилација изазива турбуленције и трење, соницирана течност – у складу са законом термодинамике – will heat up. Elevated temperatures of the processed medium can be destructive to the material and decrease the effectiveness of ultrasonic cavitation. Innovative ultrasonic flow cells are equipped with a cooling jacket (see picture). By that, the exact control over material’s temperature during ultrasonic processing is given. For the beaker sonication of smaller volumes an ice bath for heat dissipation is recommended.

Вискозитет и концентрација

ултразвучни глодање и Дисперсинг су течни процеси. Честице морају бити у суспензији, нпр. у води, уљу, растварачима или смолама. Коришћењем ултразвучних система за проток, постаје могуће ултразвучно обрадити веома вискозни, пастозни материјал.
High-power ultrasonic processor can be run at fairly high solids concentrations. A high concentration provides the effectiveness of ultrasonic processing, as ultrasonic milling effect is caused by inter-particle collision. Investigations have shown that the breakage rate of silica is independent of the solid concentration up to 50% by weight. The processing of master batches with highly concentrated material’s ratio is a common production procedure using ultrasonication.

Снага и интензитет у односу на енергију

Површински интензитет и укупна снага описују само интензитет обраде. Обим узорка обрађеног ултразвуком и време излагања одређеном интензитету морају се узети у обзир да би се описао процес соникације како би се учинио скалабилним и поновљивим. За дату конфигурацију параметара резултат процеса, нпр. величина честица или хемијска конверзија, зависиће од енергије по запремини (Е/В).

Резултат = Ф (Е /В )

При чему је енергија (Е) производ излазне снаге (П) и времена излагања (т).

Е[Вс] = стр[в]*т[с]

Промене у конфигурацији параметара ће променити функцију резултата. Ово ће заузврат варирати количину енергије (Е) потребне за дату вредност узорка (В) да би се добила специфична вредност резултата. Из тог разлога није довољно применити одређену снагу ултразвука у процес да би се добио резултат. Потребан је софистициранији приступ да би се идентификовала потребна снага и конфигурација параметара по којој би снага требало да се стави у процесни материјал. (Хилшер 2005)

Ултразвучно потпомогнута производња биоетанола

Већ је познато да ултразвук побољшава производњу биоетанола. Препоручује се згушњавање течности са биомасом до високо вискозне суспензије која се још увек може пумпати. Ултразвучни реактори могу да поднесу прилично високе концентрације чврсте материје, тако да процес ултразвучне обраде може бити најефикаснији. Што је више материјала садржано у каши, то ће се третирати мање течности носача, која неће имати користи од процеса соникације. Како унос енергије у течност изазива загревање течности по закону термодинамике, то значи да се ултразвучна енергија примењује на циљни материјал, колико год је то могуће. Овако ефикасним дизајном процеса избегава се расипно загревање вишка носеће течности.
Ултразвук помаже у Екстракција интрацелуларног материјала и на тај начин га чини доступним за ензимску ферментацију. Благи ултразвучни третман може побољшати ензимску активност, али за екстракцију биомасе ће бити потребан интензивнији ултразвук. Дакле, ензиме треба додати у суспензију биомасе након соникације јер интензиван ултразвук инактивира ензиме, што није жељени ефекат.

Актуелни резултати научних истраживања:

Студије Иосватхана ет ал. (2010) у вези са производњом биоетанола из пиринчане сламе су показали да комбинација киселог претходног третмана и ултразвучног пре ензимског третмана доводи до повећања приноса шећера до 44% (на бази пиринчане сламе). Ово показује ефикасност комбинације физичког и хемијског претходног третмана пре ензимске хидролизе лигноцелулозног материјала до шећера.

Графикон 2 графички илуструје позитивне ефекте ултразвучног зрачења током производње биоетанола из пиринчане сламе. (Дувени угаљ је коришћен за детоксикацију претходно обрађених узорака из претходног третмана киселином/ензимом и ултразвучног претходног третмана.)

У другој недавној студији, испитиван је утицај ултразвука на екстрацелуларне и интрацелуларне нивое ензима β-галактозидазе. Сулаиман и др. (2011) могли би значајно да побољшају продуктивност производње биоетанола, користећи ултразвук на контролисаној температури који стимулише раст квасца Клуиверомицес маркианус (АТЦЦ 46537). Аутори рада настављају да је повремена соникација ултразвуком снаге (20 кХз) при радним циклусима од ≤20% стимулисала производњу биомасе, метаболизам лактозе и производњу етанола код К. маркианус при релативно високом интензитету ултразвука од 11,8 Вцм⁻². Под најбољим условима, соникација је повећала коначну концентрацију етанола за скоро 3,5 пута у односу на контролу. Ово је одговарало повећању продуктивности етанола од 3,5 пута, али је захтевало 952 В додатне улазне снаге по кубном метру бујона путем ултразвука. Овај додатни захтев за енергијом је свакако био у оквиру прихватљивих оперативних норми за биореакторе и, за производе 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. Пре свега, ултразвук се користи за екстракцију интрацелуларног материјала из биомасе, као што су кукуруз, соја, слама, лигно-целулозни материјал или отпадни материјали од поврћа.

• Повећање приноса биоетанола
• Дезинтерација/ уништавање ћелија и ослобађање унутарћелијског материјала
• Побољшана анаеробна разградња
• Активација ензима благим соникацијом
• Побољшање ефикасности процеса применом суспензије високе концентрације

Једноставно тестирање, поновљиво повећање величине и лака инсталација (такође у већ постојећим производним токовима) чине ултразвук профитабилном и ефикасном технологијом. Доступни су поуздани индустријски ултразвучни процесори за комерцијалну обраду и омогућавају ултразвучну обраду практично неограничених количина течности.