Ultraljudsassisterad fermentering för produktion av bioetanol

Ultraljudsassisterad fermentering kan förbättra produktionen av bioetanol genom att främja nedbrytningen av komplexa kolhydrater till enklare sockerarter, vilket gör dem mer lättillgängliga för jästens omvandling till etanol. Samtidigt förbättrar ultraljudsbehandlingen även effektiviteten hos jästcellväggens permeabilitet, vilket möjliggör snabbare frisättning av etanol och ökad total produktion. Därigenom ger ultraljudsassisterad bioetanolfermentering högre omvandlingsgrader och ökat utbyte.

Fermentering

Fermentering kan vara en aerob (= oxidativ fermentering) eller anaerob process som används inom biotekniska tillämpningar för att omvandla organiskt material med hjälp av bakterie-, svamp- eller andra biologiska cellkulturer eller med hjälp av enzymer. Vid fermentering utvinns energi genom oxidation av organiska föreningar, t.ex. kolhydrater.
Socker är det vanligaste substratet vid fermentering, som ger produkter såsom mjölksyra, laktos, etanol och vätgas. Vid alkoholjäsning produceras etanol genom fermentering – särskilt för användning som bränsle, men även för alkoholhaltiga drycker. När vissa jäststammar, såsom Saccharomyces cerevisiae omsätter socker omvandlar jästcellerna utgångsmaterialet till etanol och koldioxid.

De kemiska ekvationerna nedan sammanfattar omvandlingen:

Om utgångsmaterialet är stärkelse, t.ex. från majs, måste stärkelsen först omvandlas till socker. För bioetanol som används som bränsle krävs hydrolys för att omvandla stärkelsen. Vanligtvis påskyndas hydrolysen genom syrabehandling eller enzymatisk behandling eller genom en kombination av båda. Normalt utförs fermenteringen vid cirka 35–40 °C.
Översikt över olika fermenteringsprocesser:

Livsmedel :

• produktion & konservering
• mejeriprodukter (mjölksyrafermentering), t.ex. yoghurt, kärnmjölk, kefir
• mjölksyrafermenterade grönsaker, t.ex. kimchi, miso, natto, tsukemono, surkål
• utveckling av aromämnen, t.ex. sojasås
• nedbrytning av garvämnen, t.ex. te, kakao, kaffe, tobak
• alkoholhaltiga drycker, t.ex. öl, vin, whisky

Läkemedel :

• produktion av medicinska föreningar, t.ex. insulin, hyaluronsyra

Biogas/ Etanol :

• förbättring av biogas-/ bioetanolproduktion

Olika forskningsartiklar och försök i bänkskala och pilotskala har visat att ultraljud förbättrar fermenteringsprocessen genom att göra mer biomassa tillgänglig för den enzymatiska fermenteringen. I följande avsnitt beskrivs ultraljudets effekter i en vätska närmare.

Effekter av vätskebehandling med ultraljud

Med ultraljud med hög effekt och låg frekvens kan höga amplituder genereras. Därigenom kan ultraljud med hög effekt och låg frekvens användas för behandling av vätskor, såsom blandning, emulgering, dispergering och deagglomerering eller malning.
Vid ultraljudsbehandling av vätskor med hög intensitet ger ljudvågorna som fortplantar sig i vätskemediet upphov till omväxlande högtryckscykler (kompression) och lågtryckscykler (förtunning), vars takt beror på frekvensen. Under lågtryckscykeln skapar högintensiva ultraljudsvågor små vakuumbubblor eller hålrum i vätskan. När bubblorna når en volym där de inte längre kan absorbera energi kollapsar de våldsamt under en högtryckscykel. Detta fenomen kallas kavitation. Kavitation, det vill säga ”bildandet, tillväxten och den implosiva kollapsen av bubblor i en vätska. Kavitationskollaps ger upphov till intensiv lokal uppvärmning (~5000 K), höga tryck (~1000 atm) och enorma uppvärmnings- och avkylningshastigheter (>109 K/sec)” och vätskestrålar (~400 km/h)”. (Suslick 1998)

Det finns olika sätt att skapa kavitation, till exempel med högtrycksmunstycken, rotor-statorblandare eller ultraljudsprocessorer. I alla dessa system omvandlas den tillförda energin till friktion, turbulens, vågor och kavitation. Den andel av den tillförda energin som omvandlas till kavitation beror på flera faktorer som beskriver den kavitationsalstrande utrustningens rörelse i vätskan. Accelerationens storlek är en av de viktigaste faktorerna som påverkar hur effektivt energin omvandlas till kavitation. Högre acceleration skapar större tryckskillnader. Detta ökar i sin tur sannolikheten för att vakuumbubblor bildas i stället för vågor som fortplantar sig genom vätskan. Ju högre accelerationen är, desto större är alltså den andel av energin som omvandlas till kavitation.
För en ultraljudsomvandlare beskriver svängningsamplituden accelerationens storlek. Högre amplituder ger effektivare kavitationsbildning. Utöver detta bör vätskan accelereras på ett sätt som ger minimala förluster i form av turbulens, friktion och vågbildning. För detta är en ensriktad rörelse optimal. Genom att ändra ultraljudsbehandlingens intensitet och parametrar kan ultraljudet vara mycket kraftfullt eller mycket skonsamt. Detta gör ultraljud till ett mycket mångsidigt verktyg för olika tillämpningar.

Skonsamma tillämpningar, där mild ultraljudsbehandling används under milda förhållanden, omfattar avgasning, emulgering, och enzymaktivering. Krävande tillämpningar med ultraljud med hög intensitet/hög effekt (oftast under förhöjt tryck) är våtmalning, deagglomerering & minskning av partikelstorleken, samt dispergering. För många tillämpningar, såsom extraktion, sönderdelning eller sonokemi, beror den ultraljudsintensitet som krävs på det specifika material som ska ultraljudsbehandlas. Tack vare de många parametrar som kan anpassas till den enskilda processen gör ultraljud det möjligt att hitta det optimala läget för varje enskild process.
Utöver en enastående effektomvandling erbjuder ultraljudsbehandling den stora fördelen att ge full kontroll över de viktigaste parametrarna: amplitud, tryck, temperatur, viskositet och koncentration. Detta ger möjlighet att justera alla dessa parametrar i syfte att hitta de idealiska behandlingsparametrarna för varje specifikt material. Detta resulterar i högre verkningsgrad och optimerad effektivitet.

Ultraljud för att förbättra fermenteringsprocesser, illustrerat med bioetanolproduktion som exempel

Bioetanol är en produkt av anaeroba eller aeroba bakteriers nedbrytning av biomassa eller biologiskt nedbrytbart material i avfall. Den producerade etanolen används huvudsakligen som biobränsle.  Detta gör bioetanol till ett förnybart och miljövänligt alternativ till fossila bränslen, såsom naturgas.
För att producera etanol från biomassa kan socker, stärkelse och lignocellulosamaterial användas som råmaterial. Vid produktion i industriell skala dominerar för närvarande socker och stärkelse eftersom de är ekonomiskt fördelaktiga.
Hur ultraljud förbättrar en kundanpassad process med ett specifikt råmaterial under givna förhållanden kan mycket enkelt undersökas med genomförbarhetstester. I ett första steg kommer ultraljudsbehandling av en liten mängd råmaterialslurry med en laboratorieapparat med ultraljud att visa om ultraljudet påverkar råmaterialet.

Genomförbarhetstester

I den första testfasen är det lämpligt att tillföra en relativt stor mängd ultraljudsenergi till en liten vätskevolym, eftersom detta ökar möjligheten att se om några resultat kan uppnås. En liten provvolym förkortar också tiden som behövs med en laboratorieapparat och minskar kostnaderna för de första testerna.
Ultraljudsvågorna överförs från sonotrodens yta till vätskan. Under sonotrodens yta är ultraljudsintensiteten som högst. Därför är korta avstånd mellan sonotroden och det ultraljudsbehandlade materialet att föredra. När en liten vätskevolym behandlas kan avståndet från sonotroden hållas kort.
Tabellen nedan visar typiska energi/volymnivåer för ultraljudsbehandlingsprocesser efter optimering. Eftersom de första försöken inte kommer att genomföras med optimal konfiguration visar en ultraljudsintensitet och behandlingstid som är 10 till 50 gånger de typiska värdena om det finns någon effekt på det ultraljudsbehandlade materialet eller inte.

Process	Energi/ Volym	Provvolym	Effekt	Tid
Enkel	< 100Ws/mL	10mL	50W	< 20 sec
Medelsvår	100Ws/mL till 500Ws/mL	10mL	50W	20 till 100 sec
Krävande	> 500Ws/mL	10mL	50W	>100 sec

Tabell 1 – Typiska värden för ultraljudsbehandling efter processoptimering

Den faktiska tillförda effekten under testkörningarna kan registreras via inbyggd datalogging (UP200Ht och UP200St), ett PC-gränssnitt eller en effektmätare. Tillsammans med registrerade data om amplitudinställning och temperatur kan resultaten från varje försök utvärderas och ett grundvärde för energi/volym fastställas.
Om en optimal konfiguration har valts under testerna kan konfigurationens prestanda verifieras under ett optimeringssteg och slutligen skalas upp till kommersiell nivå. För att underlätta optimeringen rekommenderas det starkt att även undersöka gränserna för ultraljudsbehandlingen, t.ex. temperatur, amplitud eller energi/volym för specifika formuleringar. Eftersom ultraljud kan ge negativa effekter på celler, kemikalier eller partiklar måste de kritiska nivåerna för varje parameter undersökas för att begränsa den efterföljande optimeringen till det parameterområde där de negativa effekterna inte observeras. För genomförbarhetsstudien rekommenderas små laboratorieapparater eller bänkapparater för att begränsa kostnaderna för utrustning och prover vid sådana försök. I allmänhet lämpar sig apparater på 100 till 1 000 watt mycket väl för genomförbarhetsstudien. (jfr Hielscher 2005)

Optimering

Resultaten från genomförbarhetsstudierna kan visa en ganska hög energiförbrukning i förhållande till den lilla behandlade volymen. Syftet med genomförbarhetstestet är dock främst att visa ultraljudets effekter på materialet. Om positiva effekter uppstod vid genomförbarhetstesterna måste ytterligare insatser göras för att optimera förhållandet mellan energi och volym. Detta innebär att undersöka den ideala konfigurationen av ultraljudsparametrar för att uppnå det högsta utbytet med minsta möjliga energiförbrukning och därmed göra processen så ekonomiskt fördelaktig och effektiv som möjligt. För att hitta den optimala parameterkonfigurationen – så att de avsedda fördelarna uppnås med minimal energitillförsel – måste sambandet mellan de viktigaste parametrarna amplitud, tryck, temperatur och vätskans sammansättning undersökas. I detta andra steg rekommenderas en övergång från satsvis ultraljudsbehandling till ett kontinuerligt ultraljudsbehandlingssystem med flödescellsreaktor, eftersom den viktiga parametern tryck inte kan påverkas vid satsvis ultraljudsbehandling. Vid ultraljudsbehandling i en sats är trycket begränsat till omgivningstrycket. Om ultraljudsbehandlingen sker i en trycksättningsbar flödescellskammare kan trycket höjas (eller sänkas), vilket i allmänhet påverkar ultraljudets kavitation drastiskt. Genom att använda en flödescell kan sambandet mellan tryck och processeffektivitet fastställas. Ultraljudsprocessorer med en effekt mellan 500 watt och 2000 watt är mest lämpade för att optimera en process.

Uppskalning till kommersiell produktion

När den optimala konfigurationen har hittats är den fortsatta uppskalningen enkel eftersom ultraljudsprocesser är fullständigt reproducerbara vid linjär uppskalning. Detta innebär att när ultraljud appliceras på en identisk vätskeformulering med identiska inställningar för processparametrarna krävs samma energi per volym för att uppnå ett identiskt resultat, oberoende av processens skala. (Hielscher 2005). Detta gör det möjligt att tillämpa de optimala inställningarna för ultraljudsparametrarna i fullskalig produktion. Den volym som kan behandlas med ultraljud är i praktiken obegränsad. Kommersiella ultraljudssystem med upp till 16 000 watt per enhet finns tillgängliga och kan installeras i kluster. Sådana kluster av ultraljudsprocessorer kan installeras parallellt eller i serie. Genom att installera ultraljudsprocessorer med hög effekt i kluster blir den totala effekten nästan obegränsad, så att stora volymflöden kan behandlas utan problem. Om ultraljudssystemet behöver anpassas, till exempel för att justera parametrarna till en ändrad vätskeformulering, kan detta oftast göras genom att byta sonotrod, booster eller flödescell. Ultraljudets linjära skalbarhet, reproducerbarhet och anpassningsbarhet gör denna innovativa teknik effektiv och kostnadseffektiv.

Parametrar för ultraljudsbehandling

Ultraljudsbehandling av vätskor beskrivs med ett antal parametrar. De viktigaste är amplitud, tryck, temperatur, viskositet och koncentration. Processresultatet, till exempel partikelstorleken, är vid givna parameterinställningar en funktion av energin per behandlad volym. Funktionen ändras när enskilda parametrar ändras. Dessutom beror den faktiska uteffekten per ytenhet på ultraljudsenhetens sonotrod på parametrarna. Uteffekten per ytenhet på sonotroden är ytintensiteten (I). Ytintensiteten beror på amplituden (A), trycket (p), reaktorvolymen (VR), temperaturen (T), viskositeten (η) och andra parametrar.

Verkan av den genererade kavitationen beror på ytintensiteten. Processresultatet korrelerar på samma sätt med ytintensiteten. En ultraljudsenhets totala uteffekt är produkten av ytintensiteten (I) och ytarean (S):

P [W] I [W / mm²]* S[mm²]

Amplitud

Svängningsamplituden beskriver den sträcka (t.ex. 50 µm) som sonotrodens yta förflyttar sig under en given tid (t.ex. 1/20 000s vid 20kHz). Ju större amplituden är, desto snabbare sjunker och stiger trycket vid varje slag. Dessutom ökar volymförskjutningen vid varje slag, vilket resulterar i en större kavitationsvolym (bubblornas storlek och/eller antal). Vid behandling av dispersioner har högre amplituder en mer destruktiv verkan på fasta partiklar. Tabell 1 visar allmänna värden för några ultraljudsprocesser.

Tryck

En vätskas kokpunkt beror på trycket. Ju högre trycket är, desto högre är kokpunkten, och omvänt. Förhöjt tryck möjliggör kavitation vid temperaturer nära eller över kokpunkten. Det ökar också implosionens intensitet, som är relaterad till skillnaden mellan det statiska trycket och ångtrycket inuti bubblan (jfr Vercet et al. 1999). Eftersom ultraljudseffekten och ultraljudsintensiteten ändras snabbt vid tryckförändringar är en pump med konstant tryck att föredra. När vätska tillförs en flödescell bör pumpen kunna hantera det aktuella vätskeflödet vid lämpliga tryck. Diafragma- eller membranpumpar; flexibla slangpumpar, slangpumpar eller klämpumpar; peristaltiska pumpar; eller kolv- eller plungerkolvpumpar skapar växlande tryckfluktuationer. Centrifugalpumpar, kugghjulspumpar, spiralpumpar och excenterskruvpumpar som tillför vätskan som ska ultraljudsbehandlas vid ett kontinuerligt stabilt tryck är att föredra. (Hielscher 2005)

Temperatur

När en vätska ultraljudsbehandlas överförs effekt till mediet. Eftersom ultraljudsgenererade svängningar orsakar turbulens och friktion värms den ultraljudsbehandlade vätskan upp i enlighet med termodynamikens lag. Förhöjda temperaturer i det behandlade mediet kan skada materialet och minska ultraljudskavitationens effektivitet. Innovativa ultraljudsflödesceller är utrustade med en kylmantel (se bild). Detta ger exakt kontroll över materialets temperatur under ultraljudsbehandlingen. Vid ultraljudsbehandling av mindre volymer i bägare rekommenderas ett isbad för värmeavledning.

Viskositet och koncentration

Ultraljudsassisterad malning och dispergering är processer i vätska. Partiklarna måste vara suspenderade, t.ex. i vatten, olja, lösningsmedel eller hartser. Med ultraljudssystem med genomflöde blir det möjligt att ultraljudsbehandla mycket visköst, pastaliknande material.
Ultraljudsprocessorer med hög effekt kan användas vid relativt höga halter av fasta ämnen. En hög koncentration ger effektiv ultraljudsbehandling, eftersom malningseffekten vid ultraljudsbehandling orsakas av kollisioner mellan partiklar. Undersökningar har visat att sönderdelningshastigheten för kiseldioxid är oberoende av halten fasta ämnen upp till 50 viktprocent. Bearbetning av masterbatcher med en hög andel koncentrerat material är ett vanligt produktionsförfarande med ultraljudsbehandling.

Effekt och intensitet kontra energi

Ytintensitet och total effekt beskriver endast behandlingens intensitet. Den ultraljudsbehandlade provvolymen och exponeringstiden vid en viss intensitet måste beaktas för att beskriva en ultraljudsbehandlingsprocess så att den kan skalas upp och reproduceras. För en given parameterkonfiguration beror processresultatet, t.ex. partikelstorlek eller kemisk omvandling, på energin per volym (E/V).

Resultat = f (E /V )

Där energin (E) är produkten av uteffekten (P) och exponeringstiden (t).

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

Ändringar i parameterkonfigurationen ändrar resultatfunktionen. Detta ändrar i sin tur den mängd energi (E) som krävs för ett givet provvärde (V) för att erhålla ett specifikt resultatvärde. Därför räcker det inte att tillföra en viss ultraljudseffekt till en process för att få ett resultat. Ett mer sofistikerat tillvägagångssätt krävs för att fastställa den effekt som behövs och den parameterkonfiguration vid vilken effekten ska tillföras processmaterialet. (Hielscher 2005)

Ultraljudsassisterad produktion av bioetanol

Det är redan känt att ultraljud förbättrar bioetanolproduktionen. Det rekommenderas att förtjocka vätskan med biomassa till en högviskös slurry som fortfarande är pumpbar. Ultraljudsreaktorer kan hantera relativt höga halter av fasta ämnen så att ultraljudsbehandlingen kan genomföras så effektivt som möjligt. Ju mer material slurryn innehåller, desto mindre bärarvätska, som inte drar nytta av ultraljudsbehandlingen, behöver behandlas. Eftersom tillförsel av energi till en vätska enligt termodynamikens lag leder till att vätskan värms upp, innebär detta att ultraljudsenergin i största möjliga utsträckning tillförs målmaterialet. Genom en sådan effektiv processutformning undviks energislösande uppvärmning av överflödig bärarvätska.
Ultraljud underlättar extraktionen av det intracellulära materialet och gör det därmed tillgängligt för den enzymatiska fermenteringen. Mild ultraljudsbehandling kan öka enzymaktiviteten, men för extraktion ur biomassa krävs intensivare ultraljud. Därför bör enzymerna tillsättas till biomassaslurryn efter ultraljudsbehandlingen, eftersom intensivt ultraljud inaktiverar enzymer, vilket är en oönskad effekt.

Aktuella resultat från vetenskaplig forskning:

Studierna av Yoswathana et al. (2010) om bioetanolproduktion från rishalm har visat att kombinationen av syraförbehandling och ultraljud före enzymatisk behandling leder till ett ökat sockerutbyte på upp till 44% (baserat på rishalm). Detta visar effektiviteten hos kombinationen av fysikalisk och kemisk förbehandling före enzymatisk hydrolys av lignocellulosamaterial till socker. 

Diagram 2 illustrerar grafiskt de positiva effekterna av ultraljudsbestrålning vid bioetanolproduktion från rishalm. (Träkol har använts för att avgifta de förbehandlade proverna från syra-/enzymförbehandling och ultraljudsförbehandling.)

I en annan nyligen genomförd studie undersöktes ultraljudsbehandlingens inverkan på de extracellulära och intracellulära nivåerna av enzymet β-galaktosidas. Sulaiman et al. (2011) kunde avsevärt förbättra produktiviteten i bioetanolproduktionen genom att använda ultraljud vid en kontrollerad temperatur som stimulerade tillväxten av jästen Kluyveromyces marxianus (ATCC 46537). Författarna sammanfattar att intermittent behandling med effektultraljud (20 kHz) vid arbetscykler på ≤20% stimulerade biomassaproduktion, laktosmetabolism och etanolproduktion hos K. marxianus vid en relativt hög ultraljudsintensitet på 11,8Wcm². Under de bästa förhållandena ökade ultraljudsbehandlingen den slutliga etanolkoncentrationen till nästan 3,5 gånger kontrollens nivå. Detta motsvarade en 3,5-faldig ökning av etanolproduktiviteten, men krävde ytterligare 952W tillförd effekt per kubikmeter odlingsbuljong genom ultraljudsbehandling. Detta ytterligare energibehov låg helt klart inom acceptabla driftnormer för bioreaktorer och kunde, för produkter med högt värde, enkelt kompenseras av den ökade produktiviteten.

Slutsats: Fördelar med ultraljudsassisterad fermentering

Ultraljudsbehandling har visat sig vara en effektiv och innovativ teknik för att öka bioetanolutbytet. Ultraljud används främst för att extrahera intracellulärt material ur biomassa, såsom majs, sojabönor, halm, lignocellulosamaterial eller vegetabiliskt avfall.

• Ökat bioetanolutbyte
• Disintegration/cellsönderdelning och frigörande av intracellulärt material
• Förbättrad anaerob nedbrytning
• Aktivering av enzymer genom mild ultraljudsbehandling
• Förbättrad processeffektivitet genom slurryer med hög koncentration

Den enkla provningen, reproducerbara uppskalningen och enkla installationen (även i redan befintliga produktionsflöden) gör ultraljud till en lönsam och effektiv teknik. Tillförlitliga industriella ultraljudsprocessorer för kommersiell bearbetning finns tillgängliga och gör det möjligt att ultraljudsbehandla praktiskt taget obegränsade vätskevolymer.