Ultraljudsassisterad jäsning för bioetanolproduktion
Ultraljudsassisterad jäsning kan förbättra bioetanolproduktionen genom att främja nedbrytningen av komplexa kolhydrater till enklare sockerarter, vilket gör dem mer lättillgängliga för jäst att omvandla till etanol. Samtidigt, ultraljudsbehandling förbättrar också effektiviteten av jästcellväggens permeabilitet, vilket möjliggör snabbare etanolfrisättning och ökad total produktion. Därmed resulterar ultraljudsassisterad bioetanoljäsning i högre omvandlingshastigheter och förbättrad avkastning.
jäsning
Fermentering kan vara en aerob (= oxidativ jäsning) eller anaerob process, som används för biotekniska tillämpningar för att omvandla organiskt material med bakterie-, svamp- eller andra biologiska cellkulturer eller genom enzymer. Genom fermentering utvinns energi från oxidation av organiska föreningar, t.ex. kolhydrater.
Socker är det vanligaste substratet för jäsning och uppstÃ¥r efter jäsning i produkter som mjölksyra, laktos, etanol och väte. För alkoholjäsning, etanol – särskilt för användning som bränsle, men även för alkoholhaltiga drycker – framställs genom jäsning. När vissa jäststammar, t.ex. Saccharomyces cerevisiae Genom att metabolisera socker omvandlar jästcellerna utgÃ¥ngsmaterialet 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 stärkelseomvandling. Vanligtvis påskyndas hydrolysen genom sur eller enzymatisk behandling eller genom en kombination av båda. Normalt sker jäsningen vid cirka 35–40 °C.
Översikt över olika jäsningsprocesser:
Mat:
- produktion & bevarande
- mejeriprodukter (fermentering av mjölksyra), t.ex. yoghurt, kärnmjölk, kefir
- mjölksyrafermenterade grönsaker, t.ex. kimchi, miso, natto, tsukemono, surkål
- Utveckling av aromater, t.ex. sojasås
- nedbrytning av garvämnen, t.ex. te, kakao, kaffe, tobak
- alkoholhaltiga drycker, t.ex. öl, vin, whisky
Droger:
- produktion av medicinska föreningar, t.ex. insulin, hyaluronsyra
Biogas/etanol :
- Förbättring av produktionen av biogas och bioetanol
Olika forskningsrapporter och tester i bänk- och pilotstorlek har visat att ultraljud förbättrar jäsningsprocessen genom att göra mer biomassa tillgänglig för den enzymatiska jäsningen. I följande avsnitt kommer effekterna av ultraljud i en vätska att utvecklas.
Effekter av ultraljud vätska bearbetning
Genom ultraljud med hög effekt/låg frekvens kan höga amplituder genereras. Därigenom kan ultraljud med hög effekt/låg frekvens användas för bearbetning av vätskor såsom blandning, emulgering, dispergering och deagglomerering eller malning.
Vid ultraljudsbehandling av vätskor vid höga intensiteter, ljudvÃ¥gorna som fortplantar sig in i det flytande mediet resulterar i alternerande högtryckscykler (kompression) och lÃ¥gtryck (sällsynthet), med hastigheter beroende pÃ¥ frekvensen. Under lÃ¥gtryckscykeln skapar högintensiva ultraljudsvÃ¥gor smÃ¥ vakuumbubblor eller hÃ¥lrum i vätskan. När bubblorna nÃ¥r en volym där de inte längre kan absorbera energi, kollapsar de vÃ¥ldsamt under en högtryckscykel. Detta fenomen kallas kavitation. KavitationDet är “bildning, tillväxt och implosiv kollaps av bubblor i en vätska. Kavitationskollaps ger upphov till intensiv lokal uppvärmning (~5000 K), högt tryck (~1000 atm) och enorma värme- och kylhastigheter (>109 K/sek)” och flytande jetströmmar (~400 km/h)". (Suslick 1998)
I fallet med en ultraljudsgivare beskriver svängningens amplitud intensiteten av accelerationen. Högre amplituder resulterar i en mer effektiv generering av kavitation. Förutom intensiteten bör vätskan accelereras på ett sätt för att skapa minimala förluster när det gäller turbulens, friktion och vågbildning. För detta är det optimala sättet en ensidig rörelseriktning. Ändra intensiteten och parametrarna för ultraljudsbehandling processen, ultraljud kan vara mycket hårt eller mycket mjukt. Detta gör ultraljud till ett mycket mångsidigt verktyg för olika applikationer.

Figur 1 – Ultraljud labb enhet UP100H (100 watt) för genomförbarhetstester
Förutom en enastående effektomvandling erbjuder ultraljud den stora fördelen med full kontroll över de viktigaste parametrarna: amplitud, tryck, temperatur, viskositet och koncentration. Detta ger möjlighet att justera alla dessa parametrar med målet att hitta de idealiska bearbetningsparametrarna för varje specifikt material. Detta resulterar i högre effektivitet såväl som i optimerad effektivitet.
Ultraljud för att förbättra jäsningsprocesser, förklarat på ett föredömligt sätt med bioetanolproduktion
Bioetanol är en produkt genom nedbrytning av biomassa eller biologiskt nedbrytbart material från avfall med hjälp av anaeroba eller aeroba bakterier. Den producerade etanolen används främst 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 lignocellulosa användas som råvara. För den industriella produktionen är socker och stärkelse för närvarande dominerande eftersom de är ekonomiskt gynnsamma.
Hur ultraljud förbättrar en kund-individuell process med specifik råvara under givna förhållanden kan testas mycket enkelt genom genomförbarhetstester. I första steget, ultraljudsbehandling av en liten mängd av råmaterialet slurry med en ultraljud Apparat för laboratorier kommer att visa om ultraljud påverkar råvaran.
Testning av genomförbarhet
I den första testfasen är det lämpligt att införa en relativt hög mängd ultraljudsenergi i en liten volym vätska eftersom därmed ökar chansen att se om några resultat kan erhållas. En liten provvolym förkortar också tiden med hjälp av en laboratorieenhet och minskar kostnaderna för de första testerna.
Ultraljudsvågorna överförs av sonotrodens yta till vätskan. Under sonotrodeytan är ultraljudsintensiteten mest intensiv. Därmed, korta avstånd mellan sonotrode och sonikerat material är att föredra. När en liten vätskevolym exponeras kan avståndet från sonotroden hållas kort.
Tabellen nedan visar typiska energi-/volymnivåer för ultraljudsbehandling processer efter optimering. Eftersom de första försöken inte kommer att köras på optimal konfiguration, ultraljudsbehandling intensitet och tid med 10 till 50 gånger det typiska värdet kommer att visa om det finns någon effekt på det sonikerade materialet eller inte.
Process |
Energi/ volym |
Provvolym |
Kraft |
Tid |
enkel |
< 100Ws/ml |
10 ml |
50W |
< 20 sek |
Medium |
100Ws/ml till 500Ws/ml |
10 ml |
50W |
20 till 100 sek |
HÃ¥rd |
> 500Ws/ml |
10 ml |
50W |
>100 sek |
Tabell 1 – Typiska ultraljudsbehandling värden efter processoptimering
Den faktiska effekttillförseln för provkörningarna kan registreras via integrerad dataregistrering (UP200Ht och UP200St), PC-gränssnitt eller med effektmätare. I kombination med registrerade data för amplitudinställning och temperatur kan resultaten av varje försök utvärderas och ett resultat för energi/volym kan fastställas.
Om en optimal konfiguration har valts under testerna kan denna konfigurationsprestanda verifieras under ett optimeringssteg och kan slutligen skalas upp till kommersiell nivå. För att underlätta optimeringen rekommenderas det starkt att undersöka gränserna för ultraljudsbehandling, t.ex. temperatur, amplitud eller energi / volym för specifika formuleringar också. Eftersom ultraljud kan generera negativa effekter på celler, kemikalier eller partiklar, måste de kritiska nivåerna för varje parameter undersökas för att begränsa följande optimering till parameterområdet där de negativa effekterna inte observeras. För genomförbarhetsstudien rekommenderas små laboratorie- eller bänkenheter för att begränsa kostnaderna för utrustning och prover i sådana försök. I allmänhet tjänar 100 till 1 000 wattenheter genomförbarhetsstudiens syften mycket väl. (jfr Hielscher 2005)
optimering
De resultat som uppnÃ¥tts under förstudierna kan visa pÃ¥ en ganska hög energiförbrukning för att vara den lilla volym som behandlas. Men syftet med genomförbarhetstestet är i första hand att visa ultraljudets effekter pÃ¥ materialet. Om positiva effekter uppstod vid genomförbarhetstestning mÃ¥ste ytterligare ansträngningar göras för att optimera förhÃ¥llandet mellan energi och volym. Detta innebär att utforska den idealiska konfigurationen av ultraljudsparametrar för att uppnÃ¥ högsta möjliga utbyte med hjälp av den mindre energi som är möjlig för att göra processen ekonomiskt mest rimlig och effektiv. SÃ¥ här hittar du den optimala parameterkonfigurationen – Att uppnÃ¥ de avsedda fördelarna med minimal energitillförsel – korrelationen mellan de viktigaste parametrarna amplitud, tryck, temperatur och vätska sammansättningen mÃ¥ste undersökas. I detta andra steg ändras frÃ¥n batch ultraljudsbehandling till en kontinuerlig ultraljudsbehandling med flödescellsreaktor eftersom den viktiga parametern för tryck inte kan pÃ¥verkas för satsvis ultraljudsbehandling. Under ultraljudsbehandling i en sats, trycket är begränsat till omgivningstrycket. Om ultraljudsbehandling processen passerar en trycksatt flödescellkammare, kan trycket höjas (eller minskas) vilket i allmänhet pÃ¥verkar ultraljudet Kavitation drastiskt. Genom att använda en flödescell kan korrelationen mellan tryck och processeffektivitet bestämmas. Ultraljudsprocessorer mellan 500 watt och 2000 watt är mest lämpade för att optimera en process.
Uppskalning till kommersiell produktion
Om den optimala konfigurationen har hittats är den ytterligare uppskalningen enkel eftersom ultraljudsprocesser är Fullt reproducerbar i linjär skala. Detta innebär att när ultraljud appliceras på en identisk flytande formulering under identisk konfiguration av bearbetningsparametrar, krävs samma energi per volym för att uppnå ett identiskt resultat oberoende av bearbetningsskalan. (Hielscher 2005). Det gör det möjligt att implementera den optimala parameterkonfigurationen av ultraljud till fullskalig produktionsstorlek. Praktiskt taget är volymen som kan bearbetas ultraljudsmässigt obegränsad. Kommersiella ultraljudssystem med upp till 16 000 watt per enhet är tillgängliga och kan installeras i kluster. Sådana kluster av ultraljudsprocessorer kan installeras parallellt eller i serie. Genom den klustervisa installationen av ultraljudsprocessorer med hög effekt är den totala effekten nästan obegränsad så att strömmar med hög volym kan bearbetas utan problem. Även om en anpassning av ultraljudssystemet krävs, t.ex. för att justera parametrarna till en modifierad flytande formulering, kan detta mestadels göras genom att byta sonotrode, booster eller flödescell. Den linjära skalbarheten, reproducerbarheten och anpassningsförmågan hos ultraljud gör denna innovativa teknik effektiv och kostnadseffektiv.

Bild 3 – Industriell ultraljudsprocessor UIP16000 med en effekt på 16 000 watt
Parametrar för ultraljudsbehandling
Ultraljud vätskebehandling beskrivs av ett antal parametrar. De viktigaste är amplitud, tryck, temperatur, viskositet och koncentration. Processresultatet, t.ex. partikelstorleken, för en given parameterkonfiguration är en funktion av energin per bearbetad volym. Funktionen ändras med ändringar i enskilda parametrar. Dessutom beror den faktiska uteffekten per yta av sonotroden på en ultraljudsenhet på parametrarna. Uteffekten per yta av sonotroden är ytintensiteten (I). Ytintensiteten beror på amplituden (A), trycket (p), reaktorvolymen (VR), temperaturen (T), viskositeten (η) och andra.

Den kavitationella effekten av ultraljudsbearbetning beror på ytintensiteten som beskrivs av amplitud (A), tryck (p), reaktorvolymen (VR), temperaturen (T), viskositeten (η) och andra. Plus- och minustecknen indikerar en positiv eller negativ inverkan av den specifika parametern på ultraljudsbehandlingens intensitet.
Effekten av den genererade kavitationen beror på ytintensiteten. På samma sätt korrelerar processresultatet. Den totala uteffekten av en ultraljudsenhet är produkten av ytintensitet (I) och ytarea (S):
p [w] jag [w / mm²]* s[mm²]
amplitud
Oscillationsamplituden beskriver hur (t.ex. 50 μm) sonotrodeytan färdas under en given tid (t.ex. 1/20 000 vid 20 kHz). Ju större amplitud, desto högre är hastigheten med vilken trycket sänks och ökar vid varje slag. Utöver det ökar volymförskjutningen för varje slag, vilket resulterar i en större kavitationsvolym (bubbelstorlek och/eller antal). När de tillämpas på dispersioner visar högre amplituder en högre destruktivitet för fasta partiklar. Tabell 1 visar allmänna värden för vissa ultraljudsprocesser.
tryck
Kokpunkten för en vätska beror på trycket. Ju högre tryck desto högre är kokpunkten, och omvänt. Förhöjt tryck tillåter kavitation vid temperaturer nära eller över kokpunkten. Det ökar också intensiteten av implosionen, som är relaterad till skillnaden mellan det statiska trycket och ångtrycket inuti bubblan (jfr Vercet et al. 1999). Eftersom ultraljudseffekten och intensiteten ändras snabbt med förändringar i tryck, är en pump med konstant tryck att föredra. När vätska tillförs en flödescell bör pumpen kunna hantera det specifika vätskeflödet vid lämpliga tryck. Membran- eller membranpumpar; flexibla rör-, slang- eller klämpumpar; peristaltiska pumpar; eller kolv- eller kolvpump kommer att skapa växlande tryckfluktuationer. Centrifugalpumpar, kugghjulspumpar, spiralpumpar och progressiva kavitetspumpar som levererar vätskan som ska sonikeras vid ett kontinuerligt stabilt tryck är att föredra. (Hielscher 2005)
temperatur
Genom att sonikera en vätska överförs kraft till mediet. Eftersom ultraljudsgenererad svängning orsakar turbulens och friktion, den sonikerade vätskan - i enlighet med termodynamikens lag – kommer att värmas upp. Förhöjda temperaturer pÃ¥ det bearbetade mediet kan vara destruktiva för materialet och minska effektiviteten av ultraljudskavitation. Innovativa ultraljudsflödesceller är utrustade med en kylmantel (se bild). Genom det ges den exakta kontrollen över materialets temperatur under ultraljudsbearbetning. För beaker ultraljudsbehandling av mindre volymer rekommenderas ett isbad för värmeavledning.

Bild 3 – Ultraljudsgivare UIP1000hd (1000 watt) med flödescell utrustad med kylmantel – typisk utrustning för optimeringssteg eller småskalig produktion
Viskositet och koncentration
ultraljuds fräsning och Spridning är flytande processer. Partiklarna måste vara i en suspension, t.ex. i vatten, olja, lösningsmedel eller hartser. Genom att använda ultraljudsgenomströmningssystem blir det möjligt att sonikera mycket viskös, pastaaktigt material.
Ultraljudsprocessor med hög effekt kan köras vid ganska höga koncentrationer av fasta ämnen. En hög koncentration ger effektiviteten av ultraljudsbearbetning, eftersom ultraljudsfräsningseffekten orsakas av kollision mellan partiklar. Undersökningar har visat att brotthastigheten för kiseldioxid är oberoende av den fasta koncentrationen upp till 50 viktprocent. Bearbetningen av masterbatcher med högkoncentrerat materials förhållande är ett vanligt produktionsförfarande med hjälp av ultraljud.
Kraft och intensitet kontra energi
Ytintensitet och total effekt beskriver endast bearbetningsintensiteten. Den ultraljudsbehandlade provvolymen och tiden för exponering vid viss intensitet måste beaktas för att beskriva en ultraljudsbehandling process för att göra den skalbar och reproducerbar. För en given parameterkonfiguration kommer processresultatet, t.ex. partikelstorlek eller kemisk omvandling, att bero på energin per volym (E/V).
Resultat = F (E /V )
Där energin (E) är produkten av den utgående effekten (P) och exponeringstiden (t).
E[Ws] = p[w]*t[s]
Ändringar i parameterkonfigurationen kommer att ändra resultatfunktionen. Detta kommer i sin tur att variera mängden energi (E) som krävs för ett givet provvärde (V) för att erhålla ett specifikt resultatvärde. Av denna anledning räcker det inte att använda en viss ultraljudskraft i en process för att få ett resultat. Ett mer sofistikerat tillvägagångssätt krävs för att identifiera den effekt som krävs och den parameterkonfiguration vid vilken kraften 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 mycket viskös slurry som fortfarande är pumpbar. Ultraljudsreaktorer kan hantera ganska höga fasta koncentrationer så att ultraljudsbehandlingsprocessen kan köras mest effektivt. Ju mer material som finns i uppslamningen, desto mindre bärarvätska, som inte kommer att dra nytta av ultraljudsbehandlingen, kommer att behandlas. Eftersom tillförseln av energi till en vätska orsakar en uppvärmning av vätskan enligt termodynamikens lag, innebär detta att ultraljudsenergin appliceras på målmaterialet, så långt det är möjligt. Genom en sådan effektiv processdesign undviks en slösaktig uppvärmning av överskottet av bärarvätska.
Ultraljud hjälper Extraktion av det intracellulära materialet och därigenom gör det tillgängligt för enzymatisk jäsning. Mild ultraljudsbehandling kan förbättra enzymatisk aktivitet, men för extraktion av biomassa kommer mer intensivt ultraljud att krävas. Därför bör enzymerna läggas till biomassa slurry efter ultraljudsbehandling eftersom intensivt ultraljud inaktiverar enzymer, vilket är en inte önskad effekt.
Aktuella resultat som uppnåtts genom vetenskaplig forskning:
Studierna av Yoswathana et al. (2010) rörande bioetanolproduktion från rishalm har visat att kombinationen av syraförbehandling och ultraljud före enzymatisk behandling leder till ett ökat sockerutbyte på upp till 44 % (på rishalmbasis). Detta visar effektiviteten av kombinationen av fysikalisk och kemisk förbehandling före enzymatisk hydrolys av lignocellulosamaterial till socker.
Diagram 2 illustrerar grafiskt de positiva effekterna av ultraljudsbestrålning under bioetanolproduktionen från rishalm. (Träkol har använts för att avgifta de förbehandlade proverna från förbehandling av syra/enzymer och ultraljudsförbehandling.)
I en annan nyligen genomförd studie har påverkan av ultraljud på de extracellulära och intracellulära nivåerna av enzymet β-galaktosidas undersökts. Sulaiman et al. (2011) kan förbättra produktiviteten för bioetanolproduktion avsevärt, med hjälp av ultraljud vid en kontrollerad temperatur som stimulerar jästtillväxten av Kluyveromyces marxianus (ATCC 46537). Författarna till artikeln återupptar att intermittent ultraljudsbehandling med effekt ultraljud (20 kHz) vid arbetscykler på ≤20% stimulerad biomassaproduktion, laktosmetabolism och etanolproduktion i K. marxianus vid en relativt hög ultraljudsbehandling intensitet av 11.8Wcm−2. Under de bästa förhållandena, ultraljudsbehandling förbättrade den slutliga etanolkoncentrationen med nästan 3,5 gånger i förhållande till kontroll. Detta motsvarade en 3,5-faldig förbättring av etanolproduktiviteten, men krävde 952W extra effekttillförsel per kubikmeter buljong genom ultraljudsbehandling. Detta ytterligare energibehov låg definitivt inom acceptabla driftsnormer för bioreaktorer och för produkter med högt värde kunde det lätt kompenseras av den ökade produktiviteten.
Slutsats: Fördelar med ultraljudsassisterad jäsning
Ultraljudsbehandling har visat sig vara en effektiv och innovativ teknik för att öka bioetanolutbytet. I första hand används ultraljud för att extrahera intracellulärt material från biomassa, såsom majs, sojabönor, halm, lignocellulosamaterial eller vegetabiliska avfallsmaterial.
- Ökad avkastning av bioetanol
- Disinteration/ Celldestruktion och frisättning av intracellulärt material
- Förbättrad anaerob nedbrytning
- Aktivering av enzymer genom mild ultraljudsbehandling
- Förbättring av processeffektiviteten genom uppslamningar med hög koncentration
Den enkla testningen, den reproducerbara uppskalningen och den enkla installationen (även i redan befintliga produktionsströmmar) gör ultraljud till en lönsam och effektiv teknik. Pålitliga industriella ultraljudsprocessorer för kommersiell bearbetning finns tillgängliga och gör det möjligt att sonikera praktiskt taget obegränsade vätskevolymer.

Picure 4 – Installation med 1000W ultraljudsprocessor UIP1000hd, flödescell, tank och pump
Kontakta oss! / Fråga oss!
Litteratur/Referenser
- Luft, L., Confortin, T.C., Todero, I. et al. (2019): Ultraljudsteknik tillämpad för att förbättra enzymatisk hydrolys av bryggares förbrukade spannmål och dess potential för produktion av jäsbara sockerarter. Tapperhet av avfallsbiomassa 10, 2019. 2157–2164.
- Velmurugan, R. och Incharoensakdi, A. (2016): Korrekt ultraljudsbehandling ökar etanolproduktionen från samtidig försockring och fermentering av sockerrörsbagass. RSC Advances, 6(94), 2016. 91409-91419.
- Sulaiman, A. Z.; Ajit, A.; Yunus, R. M.; Cisti, Y. (2011): Ultraljudsassisterad fermentering förbättrar bioetanolens produktivitet. Biochemical Engineering Journal 54/2011. s. 141–150.
- Nasirpour, N., Ravanshad, O. & Mousavi, S.M. (2023): Ultraljudsassisterad syra och jonisk flytande hydrolys av mikroalger för bioetanolproduktion. Biomassa Konv. Bioref. 13, 2023. 16001–16014.
- Nikolic, S.; Mojovic, L.; Rakin, M.; Pejin, D.; Pejin, J. (2010): Ultraljudsstödd produktion av bioetanol genom simoultan försockring och fermentering av majsmjöl. Ingår i: Food Chemistry 122/2010. s. 216-222.