เทคโนโลยีอัลตราซาวนด์ Hielscher

ช่วย ultrasonically หมักเพื่อการผลิตเอทานอล

การหมัก

การหมักสามารถเป็นแอโรบิก (= หมักออกซิเดชัน) หรือกระบวนการไม่ใช้ออกซิเจนซึ่งจะใช้สำหรับการใช้งานเทคโนโลยีชีวภาพการแปลงสารอินทรีย์โดยแบคทีเรียเชื้อราหรืออื่น ๆ ที่เซลล์วัฒนธรรมทางชีวภาพหรือเอนไซม์ โดยการหมักพลังงานเป็นสารสกัดจากออกซิเดชันของสารอินทรีย์เช่น คาร์โบไฮเดรต

น้ำตาลเป็นสารตั้งต้นที่พบบ่อยที่สุดของการหมักผลหลังจากการหมักในผลิตภัณฑ์เช่นกรดแลคติคแลคโตส, เอทานอลและไฮโดรเจน สำหรับการหมักแอลกอฮอล์เอทานอล - โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้เป็นเชื้อเพลิง แต่ยังสำหรับเครื่องดื่มแอลกอฮอล์ – ที่ผลิตโดยการหมัก เมื่อสายพันธุ์ยีสต์บางอย่างเช่น Saccharomyces เซอร์ เผาผลาญน้ำตาลในเซลล์ยีสต์แปลงสารตั้งต้นเอทานอลและก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์

สมการทางเคมีด้านล่างสรุปการแปลง:

ในการผลิตเอทานอลที่พบบ่อย, น้ำตาลจะถูกแปลงโดยการหมักเป็นกรดแลคติกแลคโตส, เอทานอลและไฮโดรเจน

สมการทางเคมีสรุปแปลงเอทานอล

ถ้าวัสดุที่เริ่มต้นเป็นแป้งเช่น จากข้าวโพดแรกแป้งจะต้องถูกแปลงเป็นน้ำตาล สำหรับเอทานอลที่ใช้เป็นเชื้อเพลิงสำหรับการแปลงย่อยสลายแป้งเป็นสิ่งจำเป็น โดยปกติแล้วการย่อยสลายจะเร่งการรักษาด้วยกรดหรือเอนไซม์หรือโดยการรวมกันของทั้งสอง โดยปกติการหมักจะดำเนินการอยู่ที่ประมาณ 35-40 องศาเซลเซียส
ภาพรวมของกระบวนการหมักต่างๆ:

อาหาร :

  • การผลิต & การเก็บรักษา
  • นม (การหมักกรดแลคติค) เช่น โยเกิร์ตเนย kefir
  • แลคติกผักดองเช่นกิมจิ, มิโซะ, นัตโตะ, tsukemono กะหล่ำปลีดอง
  • การพัฒนาของอะโรเมติกเช่น ซีอิ๊ว
  • การสลายตัวของตัวแทนฟอกหนังเช่น ชา, โกโก้, กาแฟยาสูบ
  • เครื่องดื่มแอลกอฮอล์เช่น เบียร์ไวน์วิสกี้

ยา:

  • การผลิตของสารทางการแพทย์เช่น อินซูลินกรดไฮยาลูโร

การผลิตก๊าซชีวภาพ / เอทานอล:

  • การปรับปรุงการผลิตก๊าซชีวภาพ / การผลิตเอทานอล

เอกสารงานวิจัยต่าง ๆ และการทดสอบในม้านั่งบนและขนาดนักบินได้แสดงให้เห็นอัลตราซาวนด์ที่ช่วยเพิ่มกระบวนการหมักโดยการทำให้ชีวมวลมากขึ้นสำหรับการหมักเอนไซม์ ในส่วนต่อไปผลอัลตราซาวด์ในของเหลวจะถูกบรรจง

เครื่องปฏิกรณ์อัลตราโซนิกเพิ่มผลผลิตไบโอดีเซลและการประมวลผล effiency!

เอทานอลสามารถผลิตได้จากก้านดอกทานตะวัน, ข้าวโพด, อ้อย ฯลฯ

ผลของการประมวลผลอัลตราโซนิกเหลว

โดยพลังงานสูง / ต่ำความถี่อัลตราซาวนด์ช่วงกว้างของคลื่นสูงสามารถสร้าง ดังนั้นพลังงานสูง / ต่ำความถี่อัลตราซาวนด์สามารถนำมาใช้สำหรับการประมวลผลของของเหลวเช่นผสม emulsifying กระจายและ deagglomeration หรือกัด
เมื่อ sonicating ของเหลวที่ความเข้มสูงคลื่นเสียงที่เผยแพร่ในสื่อการเหลวส่งผลในการสลับแรงดันสูง (บีบอัด) และความดันต่ำ (เจือ) รอบที่มีอัตราขึ้นอยู่กับความถี่ ในช่วงวัฏจักรความดันต่ำ, ความเข้มสูงคลื่นอัลตราโซนิคสร้างฟองอากาศสูญญากาศขนาดเล็กหรือช่องว่างในของเหลว เมื่อฟองบรรลุปริมาณที่พวกเขาไม่สามารถดูดซับพลังงานยุบพวกเขาอย่างรุนแรงระหว่างวงจรความดันสูง ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าโพรงอากาศ โพรงอากาศ, นั่นคือ “การสร้างการเจริญเติบโตและการล่มสลาย implosive ของฟองอากาศในของเหลว การล่มสลาย Cavitational ผลิตความร้อนที่รุนแรงในพื้นที่ (~ 5000 K) แรงกดดันสูง (~ 1,000 ATM), และความร้อนมหาศาลและอัตราการระบายความร้อน (>109 K / วินาที)” และเจ็ตสตรีมเหลว (400 ~ กิโลเมตร / เอช)” (Suslick 1998)

โครงสร้างทางเคมีของเอทานอล

สูตรโครงสร้างของเอทานอล

มีวิธีการที่แตกต่างกันในการสร้างการเกิดโพรงอากาศเช่นด้วยหัวฉีดแรงดันสูงเครื่องผสมโรเตอร์สเตเตอร์หรือโปรเซสเซอร์อัลตราโซนิก ในทุกระบบเหล่านั้นพลังงานอินพุทจะเปลี่ยนเป็นแรงเสียดทานความปั่นป่วนคลื่นและโพรงอากาศ เศษส่วนของพลังงานอินพุตที่จะเปลี่ยนเป็น cavitation ขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการที่อธิบายการเคลื่อนไหวของอุปกรณ์การเกิดโพรงอากาศในของเหลว ความเข้มของการเร่งความเร็วเป็นหนึ่งในปัจจัยที่สำคัญที่สุดที่มีอิทธิพลต่อการเปลี่ยนแปลงที่มีประสิทธิภาพของพลังงานในการเกิดโพรงอากาศ การเร่งที่สูงขึ้นสร้างความแตกต่างของแรงดันที่สูงขึ้น นี้ในการเปิดเพิ่มความน่าจะเป็นของการสร้างฟองสุญญากาศแทนการสร้างคลื่นกระจายผ่านของเหลว ดังนั้นความเร่งสูงที่สูงขึ้นคือเศษส่วนของพลังงานที่จะเปลี่ยนเป็น cavitation
ในกรณีที่ transducer ล้ำกว้างของการสั่นอธิบายความเข้มของการเร่งความเร็ว ช่วงกว้างของคลื่นที่สูงขึ้นส่งผลให้มีการสร้างประสิทธิภาพมากขึ้นของการเกิดโพรงอากาศ นอกเหนือไปจากความเข้มของเหลวที่ควรจะเร่งตัวขึ้นในทางที่จะสร้างความสูญเสียน้อยที่สุดในแง่ของความปั่นป่วนแรงเสียดทานและการสร้างคลื่น สำหรับเรื่องนี้วิธีที่ดีที่สุดเป็นทิศทางของการเคลื่อนไหวของฝ่ายเดียว การเปลี่ยนความเข้มและพารามิเตอร์ของกระบวนการ sonication การอัลตราซาวนด์ได้ยากมากหรืออ่อนมาก ซึ่งทำให้อัลตราซาวนด์เป็นเครื่องมืออเนกประสงค์มากสำหรับการใช้งานต่างๆ
Compact and powerful ultrasonic lab devices allow for simple testings in small scale to evaluate process feasibility

รูปที่ 1 – อุปกรณ์ห้องปฏิบัติการล้ำ UP100H (100 วัตต์) สำหรับการทดสอบความเป็นไปได้

การใช้งานซอฟท์ใช้ sonication อ่อนภายใต้เงื่อนไขที่ไม่รุนแรง ได้แก่ degassing, ที่ตีไข่และเปิดใช้เอนไซม์ การใช้งานอย่างหนักกับความเข้มสูง / พลังงานสูงอัลตราซาวนด์ (ส่วนใหญ่ภายใต้ความดันสูง) เป็น โม่เปียก, deagglomeration & การลดขนาดอนุภาคและ กระจาย. สำหรับการใช้งานหลายอย่างเช่น การสกัด, การสลายตัวหรือ sonochemistryความเข้มล้ำร้องขอขึ้นอยู่กับวัสดุที่เฉพาะเจาะจงที่จะ sonicated ด้วยความหลากหลายของพารามิเตอร์ซึ่งสามารถนำไปปรับใช้ในการดำเนินการแต่ละอัลตราซาวนด์ช่วยให้การหาจุดหวานสำหรับกระบวนการแต่ละ
นอกจากแปลงพลังงานที่โดดเด่น ultrasonication มีประโยชน์ที่ดีของการควบคุมเต็มรูปแบบผ่านพารามิเตอร์ที่สำคัญที่สุด: ความกว้าง, ความดัน, อุณหภูมิ, ความหนืดและความเข้มข้นของ นี้มีความเป็นไปได้ที่จะปรับค่าพารามิเตอร์เหล่านี้มีวัตถุประสงค์เพื่อหาพารามิเตอร์การประมวลผลที่เหมาะสำหรับวัสดุที่เฉพาะเจาะจงในแต่ละ ซึ่งจะส่งผลในประสิทธิภาพที่สูงขึ้นเช่นเดียวกับในประสิทธิภาพที่ดีที่สุด

ลตร้าซาวด์เพื่อปรับปรุงกระบวนการหมักอธิบาย exemplarily กับการผลิตเอทานอล

เอทานอลเป็นผลิตภัณฑ์ของการสลายตัวของชีวมวลหรือเรื่องย่อยสลายของเสียโดยไม่ใช้ออกซิเจนหรือแอโรบิคแบคทีเรีย เอทานอลที่ผลิตส่วนใหญ่จะใช้เป็นเชื้อเพลิงชีวภาพ นี้จะทำให้เอทานอลเป็นทางเลือกทดแทนและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมสำหรับเชื้อเพลิงฟอสซิลเช่นก๊าซธรรมชาติ
ในการผลิตเอทานอลจากชีวมวล, น้ำตาล, แป้ง, และวัสดุลิกโนเซลลูโลสสามารถนำมาใช้เป็นวัตถุดิบ สำหรับขนาดของการผลิตภาคอุตสาหกรรม, น้ำตาลและแป้งขณะนี้เด่นที่พวกเขาเป็นอย่างดีทางเศรษฐกิจ
วิธีการอัลตราซาวนด์ช่วยเพิ่มกระบวนการลูกค้าบุคคลที่มีวัตถุดิบที่เฉพาะเจาะจงภายใต้เงื่อนไขที่กำหนดสามารถพยายามออกง่ายมากโดยการทดสอบความเป็นไปได้ ในขั้นตอนแรกของ sonication จำนวนเล็ก ๆ ของสารละลายวัตถุดิบที่มีอัลตราโซนิก อุปกรณ์ในห้องปฏิบัติการ จะแสดงถ้าอัลตราซาวนด์ไม่ส่งผลกระทบต่อวัตถุดิบ

การทดสอบความเป็นไปได้

ในขั้นตอนการทดสอบครั้งแรกที่มันเหมาะที่จะแนะนำปริมาณที่ค่อนข้างสูงของพลังงานล้ำเข้าไปในปริมาณเล็กน้อยของของเหลวเป็นจึงเพิ่มขึ้นโอกาสที่จะดูว่าผลใด ๆ ที่สามารถรับได้ ปริมาณตัวอย่างเล็ก ๆ นอกจากนี้ยังช่วยลดระยะเวลาในการใช้อุปกรณ์ในห้องปฏิบัติการและลดลงค่าใช้จ่ายสำหรับการทดสอบครั้งแรก
คลื่นอัลตราซาวนด์จะถูกส่งโดยพื้นผิว sonotrode ลงในของเหลว Beneth ผิว sonotrode ความเข้มอัลตราซาวนด์เป็นที่รุนแรงที่สุด ดังนั้นในระยะทางสั้น ๆ ระหว่าง sonotrode และวัสดุ sonicated เป็นที่ต้องการ เมื่อปริมาณของเหลวขนาดเล็กมีการสัมผัสระยะทางจาก sonotrode ที่สามารถเก็บไว้สั้น
ตารางด้านล่างแสดงระดับพลังงาน / ปริมาณปกติสำหรับกระบวนการ sonication หลังจากการเพิ่มประสิทธิภาพ นับตั้งแต่การทดลองครั้งแรกจะไม่ได้ทำงานในการกำหนดค่าที่เหมาะสมเข้ม sonication และเวลา 10 ถึง 50 เท่าของค่าปกติจะแสดงว่ามีผลกระทบต่อวัสดุ sonicated ใด ๆ หรือไม่

กระบวนการ

พลังงาน/

ปริมาณ

ปริมาณตัวอย่าง

อำนาจ

เวลา

ง่าย

< 100Ws / มิลลิลิตร

10 มิลลิลิตรซึ่งหัวใจ

50W

< 20 วินาที

กลาง

100Ws / มิลลิลิตรเพื่อ 500Ws / มิลลิลิตร

10 มิลลิลิตรซึ่งหัวใจ

50W

20-100 วินาที

ยาก

> 500Ws / มิลลิลิตร

10 มิลลิลิตรซึ่งหัวใจ

50W

>100 วินาที

ตารางที่ 1 – ค่า sonication ทั่วไปหลังจากการเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการ

กำลังไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจริงของการทดสอบวิ่งที่สามารถบันทึกผ่านการบันทึกข้อมูลแบบบูรณาการ (Uf200 ःที และ UP200St) PC-อินเตอร์เฟซหรือ PowerMeter ร่วมกับข้อมูลที่บันทึกไว้ของการตั้งค่าความกว้างและอุณหภูมิผลของแต่ละการทดลองสามารถประเมินและบรรทัดล่างสำหรับพลังงาน / ไดรฟ์สามารถจะจัดตั้งขึ้น
ถ้าในระหว่างการทดสอบการกำหนดค่าที่ดีที่สุดได้รับการคัดเลือกประสิทธิภาพการกำหนดค่านี้อาจจะได้รับการตรวจสอบในระหว่างขั้นตอนการปรับให้เหมาะสมและสามารถปรับขนาดในที่สุดถึงระดับเชิงพาณิชย์ เพื่ออำนวยความสะดวกในการปรับให้เหมาะสมขอแนะนำให้ตรวจสอบขีดจำกัดของ sonication เช่นอุณหภูมิความกว้างหรือพลังงาน/ปริมาณสำหรับสูตรที่เฉพาะเจาะจงเกินไป ในฐานะที่เป็นอัลตราซาวนด์สามารถสร้างผลกระทบเชิงลบต่อเซลล์สารเคมีหรืออนุภาคระดับที่สำคัญสำหรับแต่ละพารามิเตอร์จะต้องมีการตรวจสอบเพื่อจำกัดการเพิ่มประสิทธิภาพต่อไปนี้ให้กับช่วงพารามิเตอร์ที่ไม่มีการสังเกตผลกระทบเชิงลบ สำหรับการศึกษาความเป็นไปได้ห้องปฏิบัติการขนาดเล็กหรือหน่วยบนม้านั่งที่มีการแนะนำให้จำกัดค่าใช้จ่ายสำหรับอุปกรณ์และตัวอย่างในการทดลองดังกล่าว โดยทั่วไป๑๐๐ถึง๑,๐๐๐วัตต์หน่วยให้บริการวัตถุประสงค์ของการศึกษาความเป็นไปได้เป็นอย่างดี (cf. Hielscher ๒๐๐๕)

Ultrasonic processes are easy to optimize and to scale up. This turns ultrasonication into an highly potential processing alternative to high pressure homogenizers, pearl and bead mills or three-roll mills.

ตารางที่ 1 – ค่า sonication ทั่วไปหลังจากการเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการ

การเพิ่มประสิทธิภาพ

ผลสำเร็จในระหว่างการศึกษาความเป็นไปได้อาจแสดงการใช้พลังงานค่อนข้างสูงเกี่ยวกับปริมาณขนาดเล็กได้รับการรักษา แต่จุดประสงค์ของการทดสอบความเป็นไปได้ที่เป็นหลักในการแสดงผลของการอัลตราซาวนด์กับวัสดุ หากเป็นไปได้ในการทดสอบผลในเชิงบวกที่เกิดขึ้นมีความพยายามต่อไปจะต้องทำเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพอัตราส่วนพลังงาน / ระดับเสียง ซึ่งหมายความว่าในการสำรวจการกำหนดค่าพารามิเตอร์ที่เหมาะในการอัลตราซาวนด์เพื่อให้บรรลุผลผลิตสูงสุดโดยใช้พลังงานน้อยลงไปได้ที่จะทำให้กระบวนการทางเศรษฐกิจที่เหมาะสมที่สุดและมีประสิทธิภาพ เพื่อหาสิ่งที่ดีที่สุดการกำหนดค่าพารามิเตอร์ – การได้รับผลประโยชน์ที่ต้องการที่มีการป้อนพลังงานน้อยที่สุด–ความสัมพันธ์ระหว่างพารามิเตอร์ที่สำคัญ ความกว้าง, ความดัน, อุณหภูมิ และ ของเหลว องค์ประกอบจะต้องมีการตรวจสอบ ในขั้นตอนที่สองนี้เปลี่ยนจาก sonication ชุดที่จะติดตั้ง sonication ต่อเนื่องกับเครื่องปฏิกรณ์เซลล์ไหลจะแนะนำเป็นตัวแปรที่สำคัญของความดันไม่สามารถมีอิทธิพลสำหรับ sonication ชุด ในช่วง sonication ในชุดความดันถูก จำกัด ไว้ที่ความดันบรรยากาศ หากกระบวนการ sonication ผ่านห้องเซลล์ไหลแรงดัน, ความดันสามารถยกระดับ (หรือลดลง) ซึ่งโดยทั่วไปมีผลต่ออัลตราโซนิก โพรงอากาศ ฮวบ โดยการใช้เซลล์ไหลที่ความสัมพันธ์ระหว่างความดันและประสิทธิภาพของกระบวนการที่สามารถกำหนด ประมวลผลอัลตราโซนิกระหว่าง 500 วัตต์ และ 2,000 วัตต์ ของการใช้พลังงานที่มีความเหมาะสมที่สุดในการเพิ่มประสิทธิภาพของกระบวนการ

Fully controllable ultrasonic equipment allows for process optimization and completely linear scale-up

รูปที่ 2 - แผนภูมิการไหลสำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพของกระบวนการอัลตราโซนิก

ระดับขึ้นเพื่อการผลิตเชิงพาณิชย์

หากการกำหนดค่าที่เหมาะสมที่สุดได้พบต่อไประดับขึ้นเป็นง่ายๆเป็นกระบวนการอัลตราโซนิกมี ทำซ้ำได้อย่างเต็มที่ในระดับเชิงเส้น. ซึ่งหมายความว่าเมื่ออัลตราซาวนด์ถูกนำไปใช้กับสูตรของเหลวที่เหมือนกันภายใต้การกำหนดค่าพารามิเตอร์การประมวลผลที่เหมือนกัน, พลังงานเดียวกันต่อปริมาณที่จะต้องได้รับผลที่เหมือนกันเป็นอิสระจากขนาดของการประมวลผล. (Hielscher ๒๐๐๕) ที่ทำให้มันเป็นไปได้ที่จะใช้การกำหนดค่าพารามิเตอร์ที่ดีที่สุดของอัลตราซาวนด์เพื่อขนาดการผลิตเต็มรูปแบบ จริง, ปริมาณที่สามารถประมวลผล ultrasonically ไม่จำกัด. ระบบอัลตราโซนิกการค้าที่มีถึง 16,000 วัตต์ ต่อหน่วยที่มีอยู่และสามารถติดตั้งได้ในกลุ่ม กลุ่มดังกล่าวของโปรเซสเซอร์ล้ำเสียงที่สามารถติดตั้งขนานหรือในซีรีส์ โดยการติดตั้งคลัสเตอร์ที่ชาญฉลาดของโปรเซสเซอร์ล้ำเสียงพลังงานสูงพลังงานทั้งหมดเกือบจะไม่ จำกัด เพื่อให้กระแสปริมาณสูงสามารถดำเนินการได้โดยไม่มีปัญหา นอกจากนี้หากการปรับตัวของระบบอัลตราโซนิกเป็นสิ่งจำเป็นเช่น เพื่อปรับพารามิเตอร์สูตรของเหลวแก้ไขนี้สามารถทำได้โดยส่วนใหญ่เปลี่ยน sonotrode, สนับสนุนหรือเซลล์ไหล ความยืดหยุ่นเชิงเส้นการทำสำเนาและการปรับตัวของอัลตราซาวด์ให้เทคโนโลยีใหม่นี้มีประสิทธิภาพและค่าใช้จ่ายที่มีประสิทธิภาพ

16kW ultrasonic machine for industrial processing of large volume streams, e.g. biodiesel, bioethanol, nano particle processing and manifold other applications.

รูปที่ 3 - หน่วยประมวลผลล้ำอุตสาหกรรม UIP16000 ด้วยพลัง 16,000 วัตต์

พารามิเตอร์ของการประมวลผลอัลตราโซนิก

การประมวลผลของเหลวอัลตราโซนิกอธิบายโดยจำนวนพารามิเตอร์ ที่สำคัญที่สุดคือความกว้าง, ความดัน, อุณหภูมิ, ความหนืดและความเข้มข้นของ ผลกระบวนการเช่นขนาดอนุภาคสำหรับการกำหนดค่าพารามิเตอร์ที่กำหนดเป็นหน้าที่ของพลังงานต่อปริมาณการประมวลผลที่ ฟังก์ชั่นการเปลี่ยนแปลงกับการเปลี่ยนแปลงในแต่ละพารามิเตอร์ นอกจากนี้การส่งออกพลังงานที่เกิดขึ้นจริงต่อพื้นที่ผิวของ sonotrode หน่วยล้ำขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์ เอาท์พุทพลังงานต่อพื้นที่ผิวของ sonotrode คือความเข้มของผิว (I) ความเข้มของผิวขึ้นอยู่กับความกว้าง (A), ความดัน (P) ปริมาณเครื่องปฏิกรณ์ (VR) ที่อุณหภูมิ (T) ความหนืด (η) และอื่น ๆ

พารามิเตอร์ที่สำคัญที่สุดของการประมวลผลอัลตราโซนิกรวมถึงความกว้าง (A), ความดัน (P) ปริมาณเครื่องปฏิกรณ์ (VR) ที่อุณหภูมิ (T) และความหนืด (η)

ผลกระทบของการประมวลผล cavitational ล้ำขึ้นอยู่กับความเข้มของผิวซึ่งเป็นที่อธิบายไว้โดยความกว้าง (A), ความดัน (P) ปริมาณเครื่องปฏิกรณ์ (VR) ที่อุณหภูมิ (T) ความหนืด (η) และอื่น ๆ บวกและลบสัญญาณบ่งบอกถึงอิทธิพลเชิงบวกหรือเชิงลบของพารามิเตอร์ที่เฉพาะเจาะจงกับความรุนแรง sonication

ผลกระทบของการเกิดโพรงอากาศที่สร้างขึ้นอยู่กับความเข้มของผิว ในลักษณะเดียวกับผลกระบวนการมีความสัมพันธ์ เอาท์พุทพลังงานทั้งหมดของหน่วยอัลตราโซนิกเป็นผลิตภัณฑ์ของความเข้มของผิว (I) และพื้นที่ผิว (s):

พี [ฝั่ง ตะวัน ตก] ผม [ฝั่ง ตะวัน ตก / มิลลิเมตร²] * S[มิลลิเมตร²]

ความกว้าง

ความกว้างของการสั่นอธิบายวิธีการ (เช่น 50 ไมครอน) พื้นผิว sonotrode เดินทางในเวลาที่กำหนด (เช่น 1 / 20,000s ที่ 20kHz) ความกว้างขนาดใหญ่ที่สูงขึ้นเป็นอัตราที่ลดความดันและการเพิ่มขึ้นในแต่ละจังหวะ นอกจากนั้นการกำจัดปริมาณของโรคหลอดเลือดสมองแต่ละเพิ่มขึ้นส่งผลให้ปริมาณการเกิดโพรงอากาศ (ขนาดฟองและ / หรือหมายเลข) เมื่อนำไปใช้กระจาย, กว้างของคลื่นที่สูงขึ้นแสดงความพินาศที่สูงขึ้นเพื่ออนุภาคของแข็ง ตารางที่ 1 แสดงค่าทั่วไปสำหรับกระบวนการอัลตราโซนิกบาง

The ultrasound amplitude is an important process parameter.

ตารางที่ 2 – คำแนะนำทั่วไปสำหรับ Amplitudes

ความดัน

จุดเดือดของของเหลวขึ้นอยู่กับความดัน ความดันสูงขึ้นคือจุดเดือดและย้อนกลับ แรงดันสูงช่วยให้เกิดการเกิดโพรงอากาศที่อุณหภูมิใกล้เคียงหรือเหนือจุดเดือด นอกจากนี้ยังเพิ่มความเข้มของระเบิดซึ่งเกี่ยวข้องกับความแตกต่างระหว่างความดันคงที่และความดันไอภายในฟองอากาศ (cf. Vercet et al. ๑๙๙๙) ตั้งแต่พลังงานล้ำและความเข้มเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วด้วยการเปลี่ยนแปลงในความดัน, ปั๊มแรงดันคงที่เป็นที่นิยม. เมื่อจัดหาของเหลวที่จะไหล-เซลล์ปั๊มควรจะมีความสามารถในการจัดการการไหลของของเหลวที่เฉพาะเจาะจงที่แรงกดดันที่เหมาะสม. ไดอะแฟรมหรือปั๊มเมมเบรน; ท่อที่มีความยืดหยุ่น, ท่อหรือบีบปั๊ม; ปั๊ม peristaltic; หรือลูกสูบเครื่องสูบน้ำจะสร้างความผันผวนของแรงดันสลับกัน ปั๊มแรงเหวี่ยงปั๊มเกียร์ปั๊มเกลียวและเครื่องสูบน้ำที่มีความก้าวหน้าที่จัดหาของเหลวที่จะ sonicated มีเสถียรภาพอย่างต่อเนื่องเป็นที่ต้องการ (Hielscher ๒๐๐๕)

อุณหภูมิ

โดย sonicating ของเหลวพลังงานจะถูกส่งเข้ากลาง ในฐานะที่สร้าง ultrasonically ผันผวนทำให้เกิดความปั่นป่วนและแรงเสียดทานของเหลว sonicated - การตามกฎหมายของอุณหพลศาสตร์ – จะร้อนขึ้น อุณหภูมิที่สูงขึ้นของสื่อการประมวลผลที่สามารถทำลายวัสดุและลดประสิทธิภาพของ cavitation ล้ำ เซลล์ไหลล้ำนวัตกรรมมีการติดตั้งกับเสื้อระบายความร้อน (ดูรูป) โดยที่การควบคุมที่แน่นอนกว่าอุณหภูมิของวัสดุระหว่างการประมวลผลอัลตราโซนิกจะได้รับ สำหรับ sonication บีกเกอร์ของไดรฟ์ขนาดเล็กห้องอาบน้ำน้ำแข็งสำหรับการกระจายความร้อนที่จะแนะนำ

Picture 3 – Ultrasonic transducer UIP1000hd (1000 watts) with flow cell equipped with cooling jacket – typical equipment for optimization steps or small scale production

รูปที่ 3 - อัลตราโซนิกตัวแปลงสัญญาณ UIP1000hd (1000 วัตต์) กับเซลล์ไหลระบายความร้อนพร้อมกับแจ็คเก็ต - อุปกรณ์ทั่วไปสำหรับขั้นตอนการเพิ่มประสิทธิภาพหรือการผลิตขนาดเล็ก

ความหนืดและความเข้มข้น

ล้ำเสียง การโม่ และ กระจาย เป็นกระบวนการที่เป็นของเหลว อนุภาคต้องอยู่ในการระงับเช่น ในน้ำ, น้ำมัน, ตัวทำละลายหรือเรซิน โดยใช้ระบบการไหลผ่านอัลตราโซนิกมันจะกลายเป็นไปได้ที่จะมีความหนืดมาก sonicate วัสดุซีดขาว
High-power โปรเซสเซอร์ล้ำเสียงสามารถทำงานที่ระดับความเข้มข้นของแข็งที่ค่อนข้างสูง ความเข้มข้นสูงให้ประสิทธิภาพของการประมวลผลอัลตราโซนิกที่เป็นผลโม่ล้ำที่เกิดจากการปะทะกันระหว่างอนุภาค สืบสวนได้แสดงให้เห็นว่าอัตราการแตกของซิลิกาเป็นอิสระจากความเข้มข้นขึ้นเป็นของแข็งถึง 50% โดยน้ำหนัก การประมวลผลสำหรับกระบวนการหลักที่มีอัตราการใช้วัสดุที่มีความเข้มข้นสูงเป็นขั้นตอนการผลิตร่วมกันโดยใช้ ultrasonication

อำนาจและความรุนแรงเมื่อเทียบกับพลังงาน

ความเข้มของพื้นผิวและพลังงานทั้งหมดไม่เพียง แต่อธิบายความเข้มของการประมวลผล ปริมาณตัวอย่าง sonicated และเวลาของการเปิดรับที่ระดับความเข้มบางอย่างจะต้องมีการพิจารณาในการอธิบายกระบวนการ sonication เพื่อที่จะทำให้มันปรับขนาดได้และทำซ้ำได้ สำหรับการกำหนดค่าพารามิเตอร์ที่ได้รับผลกระบวนการเช่น ขนาดอนุภาคหรือการแปลงสารเคมีจะขึ้นอยู่กับการใช้พลังงานต่อปริมาตร (E / V)

ผลลัพธ์ = (ตะวัน ออก /V )

ที่ไหนพลังงาน (E) เป็นผลิตภัณฑ์ของการส่งออกพลังงาน (P) และเวลาของการสัมผัส (t) ที่

ตะวัน ออก[Ws] = พี[ฝั่ง ตะวัน ตก] *เสื้อ[S]

การเปลี่ยนแปลงในการกำหนดค่าพารามิเตอร์ที่จะเปลี่ยนการทำงานผล นี้ในการเปิดจะแตกต่างกันปริมาณของพลังงาน (E) ที่จำเป็นสำหรับค่าตัวอย่างที่กำหนด (V) เพื่อให้ได้ค่าผลที่เฉพาะเจาะจง ด้วยเหตุนี้จึงไม่เพียงพอที่จะปรับใช้อำนาจบางอย่างของการอัลตราซาวนด์ในการประมวลผลที่จะได้รับผล วิธีการที่ซับซ้อนมากขึ้นจะต้องระบุอำนาจที่จำเป็นและการกำหนดค่าพารามิเตอร์ที่อำนาจควรจะใส่ลงไปในวัสดุกระบวนการ (Hielscher 2005)

ช่วย ultrasonically การผลิตเอทานอล

มันเป็นเรื่องที่รู้อยู่แล้วว่าอัลตราซาวนด์ที่ช่วยเพิ่มการผลิตเอทานอล มันเป็นฝากฝังให้ข้นเหลวด้วยชีวมวลสารละลายหนืดสูงที่ยังคงเป็น pumpable เครื่องปฏิกรณ์อัลตราโซนิกสามารถจัดการกับความเข้มข้นของของแข็งที่ค่อนข้างสูงเพื่อให้กระบวนการ sonication สามารถทำงานมีประสิทธิภาพมากที่สุด วัสดุอื่น ๆ ที่มีอยู่ในสารละลายของเหลวให้บริการน้อยลงซึ่งจะไม่ได้รับผลกำไรจากกระบวนการ sonication จะได้รับการปฏิบัติ เป็น input ของพลังงานที่เป็นของเหลวที่ทำให้เกิดความร้อนของของเหลวตามกฎหมายของอุณหพลศาสตร์ที่นี้หมายความว่าพลังงานอัลตราโซนิกถูกนำไปใช้วัสดุเป้าหมายเท่าที่จะทำได้ ด้วยเช่นการออกแบบกระบวนการที่มีประสิทธิภาพ, เครื่องทำความร้อนสิ้นเปลืองของของเหลวให้บริการส่วนที่เกินจะหลีกเลี่ยง
อัลตราซาวนด์ช่วย การสกัด ของวัสดุภายในเซลล์และทำให้มันจึงสามารถใช้ได้สำหรับการหมักเอนไซม์ การรักษาอัลตราซาวนด์อ่อนสามารถเพิ่มเอนไซม์ แต่สำหรับการสกัดชีวมวลอัลตราซาวนด์ที่รุนแรงมากขึ้นจะต้อง ดังนั้นเอนไซม์ควรจะเพิ่มสารละลายชีวมวลหลังจาก sonication เป็นอัลตราซาวนด์ที่รุนแรงยับยั้งเอนไซม์ซึ่งเป็นผลไม่ต้องการ

ผลปัจจุบันประสบความสำเร็จโดยการวิจัยทางวิทยาศาสตร์:

การศึกษาของ Yoswathana et al, (2010) เกี่ยวกับการผลิตเอทานอลจากฟางข้าวได้แสดงให้เห็นว่าการรวมกันของกรดรักษาก่อนและอัลตราโซนิกก่อนที่จะนำไปสู่การรักษาเอนไซม์ไปยังผลผลิตน้ำตาลเพิ่มขึ้นถึง 44% (บนพื้นฐานฟางข้าว) นี้แสดงให้เห็นประสิทธิภาพของการรวมกันของการปรับสภาพทางกายภาพและเคมีก่อนการย่อยของเอนไซม์ของวัสดุที่จะ lignocelluloses น้ำตาล

แผนภูมิที่ 2 แสดงให้เห็นถึงผลกระทบในเชิงบวกของการฉายรังสีอัลตราโซนิกในช่วงการผลิตเอทานอลจากฟางข้าวกราฟิก (ถ่านถูกนำมาใช้ในการล้างพิษตัวอย่างการปรับสภาพจากการปรับสภาพกรด / เอนไซม์และการปรับสภาพอัลตราโซนิก.)

ล้ำช่วยผลการหมักเอทานอลเป็นอัตราผลตอบแทนที่สูงขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ เอทานอลได้รับการผลิตจากฟางข้าว

แผนภูมิ 2 – การเพิ่มประสิทธิภาพของอัลตราโซนิกของผลผลิตเอทานอลในระหว่างการหมัก (Yoswathana et al. 2010)

ในการศึกษาเมื่อเร็ว ๆ นี้อีกอิทธิพลของ ultrasonication บนที่ extracellular และระดับเซลล์ของเอนไซม์β-galactosidase ได้รับการตรวจสอบ สุไลมานอัลเอต (2011) สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการผลิตของการผลิตเอทานอลอย่างมีนัยสำคัญโดยใช้อัลตราซาวนด์ที่อุณหภูมิควบคุมการกระตุ้นการเจริญเติบโตของยีสต์ Kluyveromyces marxianus (ATCC 46537) ผู้เขียนของกระดาษที่ดำเนินการต่อเนื่อง sonication ด้วยอัลตราซาวนด์พลังงาน (20 เฮิร์ทซ์) ที่รอบหน้าที่ของ≤20% กระตุ้นการผลิตชีวมวล, การเผาผลาญอาหารแลคโตสและการผลิตเอทานอลใน K. marxianus ที่เข้ม sonication ที่ค่อนข้างสูงของ 11.8Wcm-2. ภายใต้เงื่อนไขที่ดีที่สุด sonication เพิ่มความเข้มข้นของเอทานอลเป็นครั้งสุดท้ายโดยญาติเกือบ 3.5 เท่าที่จะควบคุม นี้ตรงกับการเพิ่มประสิทธิภาพ 3.5 เท่าในการผลิตเอทานอล แต่ต้อง 952W ของการป้อนข้อมูลพลังงานเพิ่มเติมต่อลูกบาศก์เมตรของน้ำซุปผ่าน sonication นี้ความต้องการที่เพิ่มขึ้นสำหรับการใช้พลังงานได้อย่างแน่นอนภายในบรรทัดฐานในการดำเนินงานที่ยอมรับได้สำหรับเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพและสำหรับผลิตภัณฑ์ที่มีมูลค่าสูงจะได้รับการชดเชยได้อย่างง่ายดายโดยการผลิตที่เพิ่มขึ้น

สรุป: ประโยชน์ที่ได้รับจากการหมัก ultrasonically ช่วย

การรักษาอัลตราโซนิกได้รับการแสดงเป็นเทคนิคที่มีประสิทธิภาพและนวัตกรรมเพื่อเพิ่มผลผลิตเอทานอล หลักอัลตราซาวนด์ที่ใช้ในการแยกวัสดุภายในเซลล์จากชีวมวลเช่นข้าวโพดถั่วเหลืองฟาง Ligno-เซลลูโลสวัสดุหรือผักวัสดุเหลือใช้

  • การเพิ่มขึ้นของผลผลิตเอทานอล
  • Disinteration / เซลล์ distruction และปล่อยของวัสดุภายในโทรศัพท์มือถือ
  • การย่อยสลายแบบไม่ใช้ออกซิเจนที่ดีขึ้น
  • กระตุ้นการทำงานของเอนไซม์โดย sonication อ่อน
  • การปรับปรุงประสิทธิภาพของกระบวนการโดย slurries ความเข้มข้นสูง

การทดสอบง่ายทำซ้ำระดับขึ้นและติดตั้งง่าย (ยังอยู่ในกระแสการผลิตที่มีอยู่แล้ว) ทำให้ ultrasonics เทคโนโลยีที่มีผลกำไรและมีประสิทธิภาพ ความน่าเชื่อถือโปรเซสเซอร์ล้ำอุตสาหกรรมสำหรับการประมวลผลในเชิงพาณิชย์ที่มีอยู่และทำให้มันเป็นไปได้ที่จะ sonicate ปริมาณของเหลวแทบไม่ จำกัด

UIP1000hd Bench-Top Ultrasonic Homogenizer

Picure 4 - การติดตั้งกับหน่วยประมวลผลล้ำ 1000W UIP1000hdการไหลของเซลล์ถังและปั๊ม

ติดต่อเรา / สอบถามข้อมูลเพิ่มเติม

พูดคุยกับเราเกี่ยวกับความต้องการของคุณในการประมวลผล เราจะมาแนะนำการติดตั้งและการประมวลผลพารามิเตอร์ที่เหมาะสมที่สุดสำหรับโครงการของคุณ






วรรณคดี / อ้างอิง

  • Hielscher, T. (2005): อัลตราโซนิกการผลิตอิมัลชันนาโนขนาดและ Dispersions ใน: การดำเนินการของ Nanosystems ยุโรปประชุม ENS’05
  • Jomdecha, C .; Prateepasen, A. (2006): งานวิจัยต่ำอัลตราโซนิกพลังงานส่งผลกระทบต่อการเจริญเติบโตของยีสต์ไปในกระบวนการหมัก ที่: 12TH การประชุมเอเชียแปซิฟิกใน NDT, 5-2006/10/11, โอ๊คแลนด์นิวซีแลนด์
  • Kuldiloke เจ (2002): ผลของการอัลตราซาวด์, รักษาอุณหภูมิและความดันในกิจกรรมของเอนไซม์ตัวชี้วัดคุณภาพของผลไม้และน้ำผัก; ปริญญาเอก วิทยานิพนธ์ Technische Universität เบอร์ลิน 2002
  • Mokkila เมตร Mustranta, a, Buchert เจ Poutanen, K. (2004): รวมอัลตราซาวนด์ไฟฟ้าที่มีเอนไซม์ในการประมวลผลน้ำผลไม้ผลไม้เล็ก ๆ ที่อยู่: Int 2 conf biocatalysis ของอาหารและเครื่องดื่ม 19-2004/09/22, สตุตกาเยอรมนี
  • มุลเลอร์เอ็มอา .; Ehrmann เมตร .; Vogel, อาร์เอฟ (2000): Multiplex PCR สำหรับการตรวจหาแลคโตบาซิลลัส PONTIS และสองสายพันธุ์ที่เกี่ยวข้องใน Sourdough หมัก ประยุกต์ & จุลชีววิทยาสิ่งแวดล้อม 66/5 2000 ได้ pp. 2113-2116
  • Nikolic, S .; Mojovic, L .; Rakin, M .; Pejin, D .; Pejin เจ (2010): ลตร้าซาวด์ช่วยการผลิตเอทานอลโดย saccharification simoultaneous และการหมักข้าวโพด ใน: เคมีอาหาร 122/2010 ได้ pp. 216-222
  • สุไลมาน, เอ Z .; Ajit, A .; ยูนัสอาร์เอ็ม .; Cisti วาย (2011): ลตร้าซาวด์ช่วยเพิ่มผลผลิตการหมักเอทานอล วิศวกรรมชีวเคมีวารสาร 54/2011 ได้ pp. 141-150
  • Suslick, เคเอส (1998): Kirk-Othmer สารานุกรมของเทคโนโลยีเคมี 4TH เอ็ด ไวลีย์ & Sons:. New York, ปี 1998 ได้ pp 517-541
  • Yoswathana, N .; Phuriphipat, P .; Treyawutthiawat, P .; Eshtiaghi เอ็มเอ็น (2010): เอทานอลผลิตจากฟางข้าว ใน:. พลังงานวารสารวิจัย 1/1 2010 PP 26-31