การหมักด้วยอัลตราโซนิกช่วยในการผลิตไบโอเอทานอล
การหมักด้วยอัลตราโซนิกสามารถเพิ่มการผลิตไบโอเอทานอลได้โดยการส่งเสริมการสลายคาร์โบไฮเดรตเชิงซ้อนให้เป็นน้ําตาลที่เรียบง่ายทําให้ยีสต์สามารถเปลี่ยนเป็นเอทานอลได้ง่ายขึ้น ในขณะเดียวกันการ sonication ยังช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของการซึมผ่านของผนังเซลล์ยีสต์ช่วยให้ปล่อยเอทานอลได้เร็วขึ้นและเพิ่มการผลิตโดยรวม ด้วยเหตุนี้การหมักไบโอเอทานอลด้วยอัลตราโซนิกจึงส่งผลให้อัตราการแปลงสูงขึ้นและผลผลิตที่เพิ่มขึ้น
การหมัก
การหมักอาจเป็นกระบวนการแอโรบิก (= การหมักออกซิเดชัน) หรือแบบไม่ใช้ออกซิเจน ซึ่งใช้สําหรับการใช้งานเทคโนโลยีชีวภาพเพื่อแปลงวัสดุอินทรีย์โดยการเพาะเลี้ยงเซลล์แบคทีเรีย เชื้อรา หรือชีวภาพอื่นๆ หรือโดยเอนไซม์ โดยการหมักพลังงานจะถูกสกัดจากออกซิเดชันของสารประกอบอินทรีย์ เช่น คาร์โบไฮเดรต
น้ําตาลเป็นสารตั้งต้นที่พบบ่อยที่สุดของการหมัก ซึ่งเป็นผลมาจากการหมักในผลิตภัณฑ์ เช่น กรดแลคติก แลคโตส เอทานอล และไฮโดรเจน สําหรับการหมักแอลกอฮอล์เอทานอล – โดยเฉพาะอย่างยิ่งสําหรับใช้เป็นเชื้อเพลิง แต่ยังรวมถึงเครื่องดื่มแอลกอฮอล์ด้วย – ผลิตโดยการหมัก เมื่อยีสต์บางสายพันธุ์ เช่น Saccharomyces cerevisiae เผาผลาญน้ําตาลเซลล์ยีสต์จะเปลี่ยนวัสดุเริ่มต้นเป็นเอทานอลและคาร์บอนไดออกไซด์
สมการทางเคมีด้านล่างสรุปการแปลง:
หากวัตถุดิบเริ่มต้นเป็นแป้ง เช่น จากข้าวโพด ขั้นแรกแป้งจะต้องเปลี่ยนเป็นน้ําตาล สําหรับไบโอเอทานอลที่ใช้เป็นเชื้อเพลิงจําเป็นต้องมีการไฮโดรไลซิสสําหรับการแปลงแป้ง โดยปกติแล้วการไฮโดรไลซิสจะเร่งขึ้นโดยการบําบัดด้วยกรดหรือเอนไซม์หรือโดยการรวมกันของทั้งสองอย่าง โดยปกติการหมักจะดําเนินการที่อุณหภูมิประมาณ 35–40 °C
ภาพรวมของกระบวนการหมักต่างๆ:
อาหาร:
- การผลิต & การสงวน
- ผลิตภัณฑ์นม (การหมักกรดแลคติก) เช่น โยเกิร์ต บัตเตอร์มิลค์ คีเฟอร์
- ผักหมักแลคติก เช่น กิมจิ มิโซะ นัตโตะ สึเกะโมโน กะหล่ําปลีดอง
- การพัฒนาอะโรเมติกส์ เช่น ซีอิ๊วขาว
- การสลายตัวของสารฟอกหนัง เช่น ชา โกโก้ กาแฟ ยาสูบ
- เครื่องดื่มแอลกอฮอล์ เช่น เบียร์ ไวน์ วิสกี้
ยา เสพ ติด:
- การผลิตสารประกอบทางการแพทย์ เช่น อินซูลิน กรดไฮยาลูโรนิก
ก๊าซชีวภาพ / เอทานอล :
- การปรับปรุงการผลิตก๊าซชีวภาพ/ไบโอเอทานอล
เอกสารการวิจัยและการทดสอบต่างๆ ในขนาดตั้งโต๊ะและขนาดนําร่องแสดงให้เห็นว่าอัลตราซาวนด์ช่วยปรับปรุงกระบวนการหมักโดยทําให้มีชีวมวลมากขึ้นสําหรับการหมักด้วยเอนไซม์ ในส่วนต่อไปนี้จะมีการอธิบายผลกระทบของอัลตราซาวนด์ในของเหลวอย่างละเอียด
ผลของการประมวลผลของเหลวอัลตราโซนิก
ด้วยอัลตราซาวนด์พลังงานสูง / ความถี่ต่ําสามารถสร้างแอมพลิจูดสูงได้ ด้วยเหตุนี้อัลตราซาวนด์พลังงานสูง / ความถี่ต่ําจึงสามารถใช้สําหรับการแปรรูปของเหลวเช่นการผสมอิมัลชันการกระจายตัวและการแยกตัวเป็นก้อนหรือการกัด
เมื่อ sonicating ของเหลวที่มีความเข้มสูงคลื่นเสียงที่แพร่กระจายไปยังสื่อของเหลวจะส่งผลให้เกิดรอบความดันสูง (การบีบอัด) และความดันต่ํา (หายาก) สลับกันโดยมีอัตราขึ้นอยู่กับความถี่ ในระหว่างรอบความดันต่ําคลื่นอัลตราโซนิกความเข้มสูงจะสร้างฟองสูญญากาศขนาดเล็กหรือช่องว่างในของเหลว เมื่อฟองอากาศมีปริมาตรที่ไม่สามารถดูดซับพลังงานได้อีกต่อไปฟองอากาศจะยุบตัวลงอย่างรุนแรงในระหว่างวงจรความดันสูง ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าโพรงอากาศ โพรงอากาศนั่นก็คือ “การก่อตัว การเจริญเติบโต และการยุบตัวของฟองอากาศในของเหลว การยุบตัวของโพรงอากาศทําให้เกิดความร้อนในท้องถิ่นที่รุนแรง (~5000 K) แรงดันสูง (~1000 atm) และอัตราการให้ความร้อนและความเย็นมหาศาล (>109 K/วินาที)” และกระแสเจ็ทเหลว (~400 กม./ชม.) (ซูสลิก 1998)
ในกรณีของทรานสดิวเซอร์อัลตราโซนิกแอมพลิจูดของการสั่นจะอธิบายความเข้มของการเร่งความเร็ว แอมพลิจูดที่สูงขึ้นส่งผลให้เกิดโพรงอากาศได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น นอกจากความเข้มแล้วของเหลวควรเร่งความเร็วเพื่อสร้างการสูญเสียน้อยที่สุดในแง่ของความปั่นป่วนแรงเสียดทานและการสร้างคลื่น สําหรับสิ่งนี้วิธีที่เหมาะสมที่สุดคือทิศทางการเคลื่อนไหวฝ่ายเดียว การเปลี่ยนความเข้มและพารามิเตอร์ของกระบวนการ sonication อัลตราซาวนด์อาจแข็งมากหรือนุ่มมาก ทําให้อัลตราซาวนด์เป็นเครื่องมืออเนกประสงค์สําหรับการใช้งานที่หลากหลาย

รูปภาพที่ 1 – อุปกรณ์ห้องปฏิบัติการอัลตราโซนิก UP100H (100 วัตต์) สําหรับการทดสอบความเป็นไปได้
นอกเหนือจากการแปลงพลังงานที่โดดเด่นแล้วอัลตราโซนิกยังมีข้อได้เปรียบที่ดีในการควบคุมพารามิเตอร์ที่สําคัญที่สุดอย่างเต็มที่: แอมพลิจูดความดันอุณหภูมิความหนืดและความเข้มข้น สิ่งนี้ทําให้สามารถปรับพารามิเตอร์เหล่านี้ทั้งหมดโดยมีวัตถุประสงค์เพื่อค้นหาพารามิเตอร์การประมวลผลที่เหมาะสมที่สุดสําหรับวัสดุแต่ละชนิด ส่งผลให้มีประสิทธิภาพสูงขึ้นและเพิ่มประสิทธิภาพ
อัลตราซาวนด์เพื่อปรับปรุงกระบวนการหมักอธิบายอย่างเป็นตัวอย่างเกี่ยวกับการผลิตไบโอเอทานอล
ไบโอเอทานอลเป็นผลิตภัณฑ์จากการสลายตัวของชีวมวลหรือของเสียที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพโดยแบคทีเรียแบบไม่ใช้ออกซิเจนหรือแอโรบิก เอทานอลที่ผลิตได้ส่วนใหญ่จะใช้เป็นเชื้อเพลิงชีวภาพ สิ่งนี้ทําให้ไบโอเอทานอลเป็นทางเลือกหมุนเวียนและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมสําหรับเชื้อเพลิงฟอสซิล เช่น ก๊าซธรรมชาติ
ในการผลิตเอทานอลจากชีวมวล น้ําตาล แป้ง และวัสดุลิกโนเซลลูโลซิกสามารถใช้เป็นวัตถุดิบได้ สําหรับขนาดการผลิตภาคอุตสาหกรรม น้ําตาลและแป้งมีความโดดเด่นในปัจจุบันเนื่องจากเอื้ออํานวยต่อเศรษฐกิจ
อัลตราซาวนด์ช่วยปรับปรุงกระบวนการของลูกค้ารายบุคคลด้วยวัตถุดิบเฉพาะภายใต้เงื่อนไขที่กําหนดสามารถทดลองทําได้ง่ายมากโดยการทดสอบความเป็นไปได้ ในขั้นตอนแรกการ sonication ของสารละลายวัตถุดิบจํานวนเล็กน้อยด้วยอัลตราโซนิก อุปกรณ์ห้องปฏิบัติการ จะแสดงหากอัลตราซาวนด์ส่งผลต่อวัตถุดิบ
การทดสอบความเป็นไปได้
ในขั้นตอนการทดสอบแรก เหมาะที่จะแนะนําพลังงานอัลตราโซนิกในปริมาณที่ค่อนข้างสูงลงในของเหลวปริมาณน้อย เนื่องจากโอกาสจะเพิ่มขึ้นเพื่อดูว่าสามารถรับผลลัพธ์ได้หรือไม่ ปริมาณตัวอย่างที่น้อยยังช่วยลดเวลาในการใช้อุปกรณ์ในห้องปฏิบัติการและลดต้นทุนสําหรับการทดสอบครั้งแรก
คลื่นอัลตราซาวนด์จะถูกส่งผ่านโดยพื้นผิวของ sonotrode เข้าสู่ของเหลว ใต้พื้นผิว sonotrode ความเข้มของอัลตราซาวนด์จะรุนแรงที่สุด ด้วยเหตุนี้จึงควรใช้ระยะทางสั้น ๆ ระหว่างวัสดุ sonotrode และ sonicated เมื่อสัมผัสกับของเหลวปริมาณน้อย ระยะห่างจากโซโนทรอดจะสั้นลงได้
ตารางด้านล่างแสดงระดับพลังงาน / ปริมาตรทั่วไปสําหรับกระบวนการ sonication หลังจากการเพิ่มประสิทธิภาพ เนื่องจากการทดลองครั้งแรกจะไม่ทํางานในการกําหนดค่าที่เหมาะสมความเข้มและเวลาของ sonication 10 ถึง 50 เท่าของค่าทั่วไปจะแสดงว่ามีผลใด ๆ กับวัสดุ sonicated หรือไม่
แปรรูป |
พลังงาน/ ปริมาตร |
ปริมาณตัวอย่าง |
พลัง |
เวลา |
ง่าย |
< 100Ws / มล |
10 มล. |
50 วัตต์ |
< 20 วินาที |
ปานกลาง |
100Ws / mL ถึง 500Ws / mL |
10 มล. |
50 วัตต์ |
20 ถึง 100 วินาที |
แข็ง |
> 500Ws / มล |
10 มล. |
50 วัตต์ |
>100 วินาที |
ตารางที่ 1 – ค่า sonication ทั่วไปหลังจากการเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการ
สามารถบันทึกกําลังไฟฟ้าเข้าจริงของการทดสอบผ่านการบันทึกข้อมูลแบบบูรณาการ (UP200 ฮิต และ UP200St) อินเทอร์เฟซพีซีหรือโดยมิเตอร์ไฟฟ้า เมื่อใช้ร่วมกับข้อมูลที่บันทึกไว้ของการตั้งค่าแอมพลิจูดและอุณหภูมิ จะสามารถประเมินผลการทดลองแต่ละครั้งได้ และสามารถกําหนดบรรทัดล่างสุดสําหรับพลังงาน/ปริมาตรได้
หากในระหว่างการทดสอบมีการเลือกการกําหนดค่าที่เหมาะสมที่สุดประสิทธิภาพการกําหนดค่านี้สามารถตรวจสอบได้ในระหว่างขั้นตอนการเพิ่มประสิทธิภาพและสามารถขยายเป็นระดับเชิงพาณิชย์ได้ในที่สุด เพื่ออํานวยความสะดวกในการเพิ่มประสิทธิภาพขอแนะนําอย่างยิ่งให้ตรวจสอบขีด จํากัด ของ sonication เช่นอุณหภูมิแอมพลิจูดหรือพลังงาน / ปริมาตรสําหรับสูตรเฉพาะด้วย เนื่องจากอัลตราซาวนด์อาจสร้างผลเสียต่อเซลล์สารเคมีหรืออนุภาคจึงจําเป็นต้องตรวจสอบระดับวิกฤตสําหรับแต่ละพารามิเตอร์เพื่อ จํากัด การเพิ่มประสิทธิภาพต่อไปนี้ไว้ที่ช่วงพารามิเตอร์ที่ไม่ได้สังเกตเห็นผลเสีย สําหรับการศึกษาความเป็นไปได้ แนะนําให้ห้องปฏิบัติการขนาดเล็กหรือหน่วยแบบตั้งโต๊ะเพื่อจํากัดค่าใช้จ่ายสําหรับอุปกรณ์และตัวอย่างในการทดลองดังกล่าว โดยทั่วไปหน่วย 100 ถึง 1,000 วัตต์ตอบสนองวัตถุประสงค์ของการศึกษาความเป็นไปได้ได้เป็นอย่างดี (อ้างอิง Hielscher 2005)
ปรับ แต่ง
ผลลัพธ์ที่ได้ในระหว่างการศึกษาความเป็นไปได้อาจแสดงให้เห็นถึงการใช้พลังงานที่ค่อนข้างสูงเกี่ยวกับปริมาณที่ผ่านการบําบัด แต่จุดประสงค์ของการทดสอบความเป็นไปได้คือเพื่อแสดงผลกระทบของอัลตราซาวนด์ต่อวัสดุเป็นหลัก หากในการทดสอบความเป็นไปได้มีผลในเชิงบวกเกิดขึ้น จะต้องพยายามเพิ่มเติมเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพอัตราส่วนพลังงาน/ปริมาตร ซึ่งหมายความว่าการสํารวจการกําหนดค่าในอุดมคติของพารามิเตอร์อัลตราซาวนด์เพื่อให้ได้ผลผลิตสูงสุดโดยใช้พลังงานที่น้อยลงเพื่อให้กระบวนการมีความสมเหตุสมผลและมีประสิทธิภาพมากที่สุดในเชิงเศรษฐกิจ เพื่อค้นหาการกําหนดค่าพารามิเตอร์ที่เหมาะสมที่สุด – การได้รับประโยชน์ตามที่ตั้งใจไว้ด้วยพลังงานที่ป้อนน้อยที่สุด – ความสัมพันธ์ระหว่างพารามิเตอร์ที่สําคัญที่สุด แอมพลิจูด, ความดัน, อุณหภูมิ และ เหลว องค์ประกอบต้องได้รับการตรวจสอบ ในขั้นตอนที่สองนี้แนะนําให้เปลี่ยนจากชุด sonication เป็นการตั้งค่าการ sonication แบบต่อเนื่องด้วยเครื่องปฏิกรณ์เซลล์การไหลเนื่องจากพารามิเตอร์ที่สําคัญของความดันไม่สามารถได้รับอิทธิพลต่อการ sonication แบบแบทช์ ในระหว่างการ sonication ในแบทช์ความดันจะ จํากัด อยู่ที่ความดันแวดล้อม หากกระบวนการ sonication ผ่านห้องเซลล์การไหลแรงดันความดันสามารถเพิ่มขึ้น (หรือลดลง) ซึ่งโดยทั่วไปจะส่งผลต่ออัลตราโซนิก โพรงอากาศ อย่างมาก ด้วยการใช้โฟลว์เซลล์ สามารถกําหนดความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันและประสิทธิภาพของกระบวนการได้ โปรเซสเซอร์อัลตราโซนิกระหว่าง 500 วัตต์ และ 2000 วัตต์ ของพลังงานที่เหมาะสมที่สุดในการเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการ
ขยายขนาดไปสู่การผลิตเชิงพาณิชย์
หากพบการกําหนดค่าที่เหมาะสมที่สุดการขยายขนาดเพิ่มเติมจะง่ายเนื่องจากกระบวนการอัลตราโซนิก ทําซ้ําได้อย่างเต็มที่ในระดับเชิงเส้น. ซึ่งหมายความว่าเมื่อใช้อัลตราซาวนด์กับสูตรของเหลวที่เหมือนกันภายใต้การกําหนดค่าพารามิเตอร์การประมวลผลที่เหมือนกันต้องใช้พลังงานเดียวกันต่อปริมาตรเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่เหมือนกันโดยไม่ขึ้นกับขนาดของการประมวลผล (ฮิลสเชอร์ 2005). ทําให้สามารถใช้การกําหนดค่าพารามิเตอร์ที่เหมาะสมที่สุดของอัลตราซาวนด์ให้ได้ขนาดการผลิตเต็มรูปแบบ ปริมาณที่สามารถประมวลผลด้วยอัลตราโซนิกได้ไม่จํากัด ระบบอัลตราโซนิกเชิงพาณิชย์ที่มีมากถึง 16,000 วัตต์ ต่อหน่วยสามารถใช้ได้และสามารถติดตั้งเป็นคลัสเตอร์ได้ กลุ่มโปรเซสเซอร์อัลตราโซนิกดังกล่าวสามารถติดตั้งแบบขนานหรือแบบอนุกรมได้ ด้วยการติดตั้งโปรเซสเซอร์อัลตราโซนิกกําลังสูงแบบคลัสเตอร์พลังงานทั้งหมดเกือบไม่ จํากัด เพื่อให้สามารถประมวลผลสตรีมปริมาณมากได้โดยไม่มีปัญหา นอกจากนี้หากจําเป็นต้องปรับระบบอัลตราโซนิกเช่นเพื่อปรับพารามิเตอร์ให้เป็นสูตรของเหลวที่ดัดแปลงส่วนใหญ่สามารถทําได้โดยการเปลี่ยน sonotrode, booster หรือเซลล์การไหล ความสามารถในการปรับขนาดเชิงเส้นความสามารถในการทําซ้ําและการปรับตัวของอัลตราซาวนด์ทําให้เทคโนโลยีที่เป็นนวัตกรรมนี้มีประสิทธิภาพและคุ้มค่า

ภาพที่ 3 - โปรเซสเซอร์อัลตราโซนิกอุตสาหกรรม UIP16000 ด้วยกําลังไฟ 16,000 วัตต์
พารามิเตอร์ของการประมวลผลอัลตราโซนิก
การประมวลผลของเหลวอัลตราโซนิกอธิบายโดยพารามิเตอร์จํานวนหนึ่ง สิ่งสําคัญที่สุดคือแอมพลิจูด ความดัน อุณหภูมิ ความหนืด และความเข้มข้น ผลลัพธ์ของกระบวนการ เช่น ขนาดอนุภาค สําหรับการกําหนดค่าพารามิเตอร์ที่กําหนดเป็นฟังก์ชันของพลังงานต่อปริมาตรที่ประมวลผล ฟังก์ชันจะเปลี่ยนไปตามการเปลี่ยนแปลงในพารามิเตอร์แต่ละรายการ นอกจากนี้กําลังขับจริงต่อพื้นที่ผิวของ sonotrode ของหน่วยอัลตราโซนิกขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์ กําลังขับต่อพื้นที่ผิวของ sonotrode คือความเข้มของพื้นผิว (I) ความเข้มของพื้นผิวขึ้นอยู่กับแอมพลิจูด (A) ความดัน (p) ปริมาตรของเครื่องปฏิกรณ์ (VR) อุณหภูมิ (T) ความหนืด (η) และอื่นๆ

ผลกระทบของโพรงอากาศของการประมวลผลอัลตราโซนิกขึ้นอยู่กับความเข้มของพื้นผิวซึ่งอธิบายโดยแอมพลิจูด (A) ความดัน (p) ปริมาตรของเครื่องปฏิกรณ์ (VR) อุณหภูมิ (T) ความหนืด (η) และอื่น ๆ เครื่องหมายบวกและลบบ่งบอกถึงอิทธิพลเชิงบวกหรือเชิงลบของพารามิเตอร์เฉพาะต่อความเข้มของโซนิเคชั่น
ผลกระทบของโพรงอากาศที่สร้างขึ้นขึ้นอยู่กับความเข้มของพื้นผิว ในทํานองเดียวกันผลลัพธ์ของกระบวนการมีความสัมพันธ์กัน กําลังขับทั้งหมดของหน่วยอัลตราโซนิกเป็นผลคูณของความเข้มของพื้นผิว (I) และพื้นที่ผิว (S):
P [w] ผม [w / มิลลิเมตร²]* S[มิลลิเมตร²]
คลื่น
แอมพลิจูดของการสั่นอธิบายวิธี (เช่น 50 μm) ที่พื้นผิว sonotrode เดินทางในเวลาที่กําหนด (เช่น 1/20,000 วินาทีที่ 20kHz) ยิ่งแอมพลิจูดมากเท่าใด อัตราที่ความดันจะลดลงและเพิ่มขึ้นในแต่ละจังหวะก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น นอกจากนั้น การกระจัดปริมาตรของแต่ละจังหวะจะเพิ่มขึ้นส่งผลให้ปริมาตรโพรงอากาศมีขนาดใหญ่ขึ้น (ขนาดฟองอากาศและ/หรือจํานวน) เมื่อนําไปใช้กับการกระจายตัว แอมพลิจูดที่สูงขึ้นจะแสดงการทําลายอนุภาคของแข็งที่สูงขึ้น ตารางที่ 1 แสดงค่าทั่วไปสําหรับกระบวนการอัลตราโซนิกบางอย่าง
ความดัน
จุดเดือดของของเหลวขึ้นอยู่กับความดัน ยิ่งความดันสูงจุดเดือดก็จะยิ่งสูงขึ้นและย้อนกลับ ความดันที่สูงขึ้นช่วยให้เกิดโพรงอากาศที่อุณหภูมิใกล้เคียงหรือสูงกว่าจุดเดือด นอกจากนี้ยังเพิ่มความเข้มของการระเบิด ซึ่งเกี่ยวข้องกับความแตกต่างระหว่างความดันสถิตและความดันไอภายในฟองอากาศ (cf. Vercet et al. 1999) เนื่องจากกําลังและความเข้มของอัลตราโซนิกเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วตามการเปลี่ยนแปลงของความดันจึงควรใช้ปั๊มแรงดันคงที่ เมื่อจ่ายของเหลวไปยังโฟลว์เซลล์ปั๊มควรสามารถจัดการกับการไหลของของเหลวเฉพาะที่แรงดันที่เหมาะสม ปั๊มไดอะแฟรมหรือเมมเบรน ท่ออ่อนท่อหรือปั๊มบีบ ปั๊มบีบตัว หรือปั๊มลูกสูบหรือลูกสูบจะสร้างความผันผวนของแรงดันสลับกัน แนะนําให้ใช้ปั๊มหอยโข่งปั๊มเกียร์ปั๊มเกลียวและปั๊มโพรงโปรเกรสซีฟที่จ่ายของเหลวเพื่อ sonicated ที่ความดันที่คงที่อย่างต่อเนื่อง (ฮิลเชอร์ 2005)
อุณหภูมิ
โดยการ sonicizing ของเหลวพลังงานจะถูกส่งไปยังตัวกลาง เนื่องจากการสั่นที่สร้างขึ้นด้วยอัลตราโซนิกทําให้เกิดความปั่นป่วนและแรงเสียดทานของเหลวที่สะท้อนเสียง – ตามกฎของอุณหพลศาสตร์ – จะร้อนขึ้น อุณหภูมิที่สูงขึ้นของตัวกลางที่ผ่านการประมวลผลสามารถทําลายวัสดุและลดประสิทธิภาพของโพรงอากาศอัลตราโซนิก เซลล์การไหลอัลตราโซนิกที่เป็นนวัตกรรมใหม่มีแจ็คเก็ตระบายความร้อน (ดูภาพ) ด้วยเหตุนี้การควบคุมอุณหภูมิของวัสดุในระหว่างการประมวลผลอัลตราโซนิกจึงมีให้ สําหรับการ sonication บีกเกอร์ที่มีปริมาณน้อยแนะนําให้ใช้อ่างน้ําแข็งเพื่อกระจายความร้อน

ภาพที่ 3 – ทรานสดิวเซอร์อัลตราโซนิก UIP1000hd (1000 วัตต์) พร้อมโฟลว์เซลล์ที่ติดตั้งแจ็คเก็ตระบายความร้อน – อุปกรณ์ทั่วไปสําหรับขั้นตอนการเพิ่มประสิทธิภาพหรือการผลิตขนาดเล็ก
ความหนืดและความเข้มข้น
เหนือเสียง การบด และ สลาย เป็นกระบวนการของเหลว อนุภาคต้องอยู่ในสารแขวนลอย เช่น ในน้ํา น้ํามัน ตัวทําละลาย หรือเรซิน ด้วยการใช้ระบบไหลผ่านอัลตราโซนิกทําให้สามารถ sonicate วัสดุที่มีความหนืดและซีดได้
โปรเซสเซอร์อัลตราโซนิกกําลังสูงสามารถทํางานได้ที่ความเข้มข้นของแข็งค่อนข้างสูง ความเข้มข้นสูงให้ประสิทธิภาพของการประมวลผลอัลตราโซนิกเนื่องจากผลการกัดอัลตราโซนิกเกิดจากการชนกันระหว่างอนุภาค การตรวจสอบพบว่าอัตราการแตกหักของซิลิกาไม่ขึ้นกับความเข้มข้นของแข็งสูงถึง 50% โดยน้ําหนัก การประมวลผลของมาสเตอร์แบทช์ที่มีอัตราส่วนของวัสดุที่มีความเข้มข้นสูงเป็นขั้นตอนการผลิตทั่วไปโดยใช้อัลตราโซนิก
พลังและความเข้มข้นเทียบกับพลังงาน
ความเข้มของพื้นผิวและกําลังทั้งหมดอธิบายความเข้มของการประมวลผลเท่านั้น ต้องพิจารณาปริมาณตัวอย่างที่โซนิคและเวลาของการสัมผัสที่ความเข้มที่แน่นอนเพื่ออธิบายกระบวนการ sonication เพื่อให้สามารถปรับขนาดได้และทําซ้ําได้ สําหรับการกําหนดค่าพารามิเตอร์ที่กําหนด ผลลัพธ์ของกระบวนการ เช่น ขนาดอนุภาคหรือการแปลงทางเคมี จะขึ้นอยู่กับพลังงานต่อปริมาตร (E/V)
ผลลัพธ์ = F (E /V )
โดยที่พลังงาน เป็นผลคูณของกําลังขับ (P) และเวลาที่เปิดรับแสง (t)
E[ว] = P[w]*t[S]
การเปลี่ยนแปลงการกําหนดค่าพารามิเตอร์จะเปลี่ยนฟังก์ชันผลลัพธ์ ในทางกลับกันสิ่งนี้จะเปลี่ยนปริมาณพลังงาน ที่จําเป็นสําหรับค่าตัวอย่างที่กําหนด (V) เพื่อให้ได้ค่าผลลัพธ์ที่เฉพาะเจาะจง ด้วยเหตุนี้จึงไม่เพียงพอที่จะปรับใช้พลังอัลตราซาวนด์บางอย่างกับกระบวนการเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ จําเป็นต้องมีวิธีการที่ซับซ้อนมากขึ้นเพื่อระบุพลังงานที่ต้องการและการกําหนดค่าพารามิเตอร์ที่ควรใส่พลังงานลงในวัสดุกระบวนการ (ฮิลเชอร์ 2005)
การผลิตไบโอเอทานอลด้วยอัลตราโซนิกช่วย
เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าอัลตราซาวนด์ช่วยเพิ่มการผลิตไบโอเอทานอล ขอแนะนําให้ทําให้ของเหลวข้นด้วยชีวมวลให้เป็นสารละลายที่มีความหนืดสูงซึ่งยังสามารถสูบได้ เครื่องปฏิกรณ์อัลตราโซนิกสามารถจัดการกับความเข้มข้นของแข็งที่ค่อนข้างสูงเพื่อให้กระบวนการ sonication สามารถทํางานได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด ยิ่งมีวัสดุอยู่ในสารละลายมากเท่าไหร่ของเหลวพาหะก็จะยิ่งน้อยลงซึ่งจะไม่ได้รับผลกําไรจากกระบวนการ sonication เนื่องจากการป้อนพลังงานเข้าไปในของเหลวทําให้เกิดความร้อนของของเหลวตามกฎของอุณหพลศาสตร์ซึ่งหมายความว่าพลังงานอัลตราโซนิกจะถูกนําไปใช้กับวัสดุเป้าหมายให้ไกลที่สุด ด้วยการออกแบบกระบวนการที่มีประสิทธิภาพดังกล่าวจะหลีกเลี่ยงการให้ความร้อนที่สิ้นเปลืองของของเหลวพาหะส่วนเกิน
อัลตราซาวนด์ช่วย การสกัด ของวัสดุภายในเซลล์และทําให้พร้อมสําหรับการหมักเอนไซม์ การรักษาด้วยอัลตราซาวนด์ที่ไม่รุนแรงสามารถเพิ่มการทํางานของเอนไซม์ได้ แต่สําหรับการสกัดชีวมวลจะต้องใช้อัลตราซาวนด์ที่เข้มข้นมากขึ้น ดังนั้นควรเพิ่มเอนไซม์ลงในสารละลายชีวมวลหลังจากการ sonication เนื่องจากอัลตราซาวนด์ที่เข้มข้นจะยับยั้งเอนไซม์ซึ่งเป็นผลที่ไม่พึงประสงค์
ผลลัพธ์ปัจจุบันที่ได้จากการวิจัยทางวิทยาศาสตร์:
การศึกษาของ Yoswathana et al. (2010) เกี่ยวกับการผลิตไบโอเอทานอลจากฟางข้าวแสดงให้เห็นว่าการผสมผสานระหว่างการบําบัดก่อนกรดและอัลตราโซนิกก่อนการบําบัดด้วยเอนไซม์ทําให้ผลผลิตน้ําตาลเพิ่มขึ้นถึง 44% (บนพื้นฐานของฟางข้าว) สิ่งนี้แสดงให้เห็นถึงประสิทธิผลของการผสมผสานระหว่างการปรับสภาพทางกายภาพและทางเคมีก่อนการไฮโดรไลซิสของเอนไซม์ของวัสดุลิกโนเซลลูโลสเป็นน้ําตาล
แผนภูมิที่ 2 แสดงให้เห็นถึงผลดีของการฉายรังสีอัลตราโซนิกระหว่างการผลิตไบโอเอทานอลจากฟางข้าวแบบกราฟิก (ถ่านถูกนํามาใช้เพื่อล้างพิษตัวอย่างที่ผ่านการบําบัดแล้วจากการปรับสภาพกรด / เอนไซม์และการปรับสภาพอัลตราโซนิก)
ในการศึกษาเมื่อเร็ว ๆ นี้อีกการศึกษาหนึ่งได้ตรวจสอบอิทธิพลของอัลตราโซนิกต่อระดับนอกเซลล์และระดับภายในเซลล์ของเอนไซม์ β-galactosidase Sulaiman et al. (2011) สามารถปรับปรุงผลผลิตของการผลิตไบโอเอทานอลได้อย่างมีนัยสําคัญโดยใช้อัลตราซาวนด์ที่อุณหภูมิควบคุมเพื่อกระตุ้นการเจริญเติบโตของยีสต์ของ Kluyveromyces marxianus (ATCC 46537) ผู้เขียนบทความกลับมาอีกครั้งว่าการ sonication เป็นระยะด้วยอัลตราซาวนด์กําลัง (20 kHz) ที่รอบการทํางานของ ≤20% กระตุ้นการผลิตชีวมวลการเผาผลาญแลคโตสและการผลิตเอทานอลใน K. marxianus ที่ความเข้มของ sonication ค่อนข้างสูงที่ 11.8Wcm−2. ภายใต้สภาวะที่ดีที่สุดการ sonication ช่วยเพิ่มความเข้มข้นของเอทานอลขั้นสุดท้ายเกือบ 3.5 เท่าเมื่อเทียบกับการควบคุม สิ่งนี้สอดคล้องกับการเพิ่มผลผลิตเอทานอล 3.5 เท่า แต่ต้องใช้กําลังไฟฟ้าเพิ่ม 952W ต่อลูกบาศก์เมตรของน้ําซุปผ่านการ sonication ความต้องการพลังงานเพิ่มเติมนี้อยู่ในบรรทัดฐานการดําเนินงานที่ยอมรับได้สําหรับเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพ และสําหรับผลิตภัณฑ์ที่มีมูลค่าสูง สามารถชดเชยได้อย่างง่ายดายด้วยผลผลิตที่เพิ่มขึ้น
สรุป: ประโยชน์จากการหมักด้วยอัลตราโซนิกช่วย
การรักษาด้วยอัลตราโซนิกได้รับการแสดงให้เห็นว่าเป็นเทคนิคที่มีประสิทธิภาพและเป็นนวัตกรรมใหม่ในการเพิ่มผลผลิตไบโอเอทานอล โดยพื้นฐานแล้วอัลตราซาวนด์ใช้เพื่อสกัดวัสดุภายในเซลล์จากชีวมวลเช่นข้าวโพดถั่วเหลืองฟางวัสดุลิกโนเซลลูโลสหรือวัสดุเหลือใช้จากผัก
- การเพิ่มผลผลิตไบโอเอทานอล
- การทําลายเซลล์ / การทําลายเซลล์และการปล่อยวัสดุภายในเซลล์
- ปรับปรุงการสลายตัวแบบไม่ใช้ออกซิเจน
- การกระตุ้นเอนไซม์โดยการ sonication อ่อน
- การปรับปรุงประสิทธิภาพของกระบวนการด้วยสารละลายที่มีความเข้มข้นสูง
การทดสอบที่เรียบง่ายการขยายขนาดที่ทําซ้ําได้และการติดตั้งที่ง่ายดาย (รวมถึงในกระแสการผลิตที่มีอยู่แล้ว) ทําให้อัลตราโซนิกเป็นเทคโนโลยีที่ทํากําไรและมีประสิทธิภาพ มีโปรเซสเซอร์อัลตราโซนิกอุตสาหกรรมที่เชื่อถือได้สําหรับการแปรรูปเชิงพาณิชย์และทําให้สามารถ sonicate ปริมาณของเหลวได้ไม่จํากัด

Picure 4 – ตั้งค่าด้วยโปรเซสเซอร์อัลตราโซนิก 1000W UIP1000hd, โฟลว์เซลล์, ถังและปั๊ม
ติดต่อเรา! / ถามเรา!
วรรณกรรม/อ้างอิง
- Luft, L., Confortin, TC, Todero, I. และคณะ (2019): เทคโนโลยีอัลตราซาวนด์ที่นํามาใช้เพื่อเพิ่มการไฮโดรไลซิสของเอนไซม์ของเมล็ดพืชที่ใช้แล้วของผู้ผลิตเบียร์และศักยภาพในการผลิตน้ําตาลหมัก. ความกล้าหาญของเสียชีวมวล 10, 2019 2157–2164.
- Velmurugan, R. และ Incharoensakdi, A. (2016): การรักษาด้วยอัลตราซาวนด์ที่เหมาะสมจะเพิ่มการผลิตเอทานอลจากการทําให้เป็นน้ําตาลและการหมักชานอ้อยพร้อมกัน ความก้าวหน้าของ RSC, 6(94), 2016. 91409-91419.
- สุไลมาน, AZ; อาจิต, เอ.; ยูนุส, RM; ซิสตี, วาย. (2011): การหมักด้วยอัลตราซาวนด์ช่วยช่วยเพิ่มผลผลิตไบโอเอทานอล วารสารวิศวกรรมชีวเคมี 54/2011. หน้า 141–150.
- Nasirpour, N., Ravanshad, O. & มูซาวี, SM (2023): กรดอัลตราโซนิกช่วยไฮโดรไลซิสของเหลวไอออนิกของสาหร่ายขนาดเล็กสําหรับการผลิตไบโอเอทานอล ชีวมวล Conv. Bioref. 13, 2023. 16001–16014.
- นิโคลิค, เอส.; โมโจวิช, แอล.; ราคิน, เอ็ม.; เปจิน, ดี.; เปจิน, เจ. (2010): การผลิตไบโอเอทานอลด้วยอัลตราซาวนด์ช่วยโดยการทําให้เป็นน้ําตาลแบบซิมูลเทนและการหมักข้าวโพดป่น. ใน: เคมีอาหาร 122/2010 หน้า 216-222.