Hielscher Ultrasonics
เรายินดีที่จะพูดคุยเกี่ยวกับกระบวนการของคุณ
โทรหาเรา: +49 3328 437-420
ส่งอีเมลถึงเรา: info@hielscher.com

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:

ในการผลิตไบโอเอทานอลทั่วไป น้ําตาลจะถูกเปลี่ยนโดยการหมักเป็นกรดแลคติก แลคโตส เอทานอล และไฮโดรเจน

สมการทางเคมีสรุปการแปลงเป็นไบโอเอทานอล

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

เครื่องปฏิกรณ์อัลตราโซนิกช่วยเพิ่มผลผลิตไบโอดีเซลและประสิทธิภาพการประมวลผล!

ไบโอเอทานอลสามารถผลิตได้จากก้านทานตะวัน ข้าวโพด อ้อย ฯลฯ

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)

โครงสร้างทางเคมีของเอทานอล

สูตรโครงสร้างของเอทานอล

มีวิธีการที่แตกต่างกันในการสร้างโพรงอากาศเช่นโดยหัวฉีดแรงดันสูงเครื่องผสมโรเตอร์สเตเตอร์หรือโปรเซสเซอร์อัลตราโซนิก ในระบบทั้งหมดเหล่านั้นพลังงานอินพุตจะถูกเปลี่ยนเป็นแรงเสียดทานความปั่นป่วนคลื่นและโพรงอากาศ เศษส่วนของพลังงานอินพุตที่เปลี่ยนเป็นโพรงอากาศขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการที่อธิบายการเคลื่อนที่ของอุปกรณ์สร้างโพรงอากาศในของเหลว ความเข้มของการเร่งความเร็วเป็นหนึ่งในปัจจัยที่สําคัญที่สุดที่มีอิทธิพลต่อการเปลี่ยนแปลงพลังงานให้เป็นโพรงอากาศอย่างมีประสิทธิภาพ ความเร่งที่สูงขึ้นทําให้เกิดความแตกต่างของแรงดันที่สูงขึ้น สิ่งนี้จะเพิ่มความน่าจะเป็นของการสร้างฟองอากาศสูญญากาศแทนการสร้างคลื่นที่แพร่กระจายผ่านของเหลว ดังนั้น ยิ่งความเร่งสูงเท่าใด เศษส่วนของพลังงานที่เปลี่ยนเป็นโพรงอากาศก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น
ในกรณีของทรานสดิวเซอร์อัลตราโซนิกแอมพลิจูดของการสั่นจะอธิบายความเข้มของการเร่งความเร็ว แอมพลิจูดที่สูงขึ้นส่งผลให้เกิดโพรงอากาศได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น นอกจากความเข้มแล้วของเหลวควรเร่งความเร็วเพื่อสร้างการสูญเสียน้อยที่สุดในแง่ของความปั่นป่วนแรงเสียดทานและการสร้างคลื่น สําหรับสิ่งนี้วิธีที่เหมาะสมที่สุดคือทิศทางการเคลื่อนไหวฝ่ายเดียว การเปลี่ยนความเข้มและพารามิเตอร์ของกระบวนการ sonication อัลตราซาวนด์อาจแข็งมากหรือนุ่มมาก ทําให้อัลตราซาวนด์เป็นเครื่องมืออเนกประสงค์สําหรับการใช้งานที่หลากหลาย
Compact and powerful ultrasonic lab devices allow for simple testings in small scale to evaluate process feasibility

รูปภาพที่ 1 – อุปกรณ์ห้องปฏิบัติการอัลตราโซนิก UP100H (100 วัตต์) สําหรับการทดสอบความเป็นไปได้

การใช้งานที่นุ่มนวลใช้การ sonication อ่อนภายใต้สภาวะที่ไม่รุนแรงรวมถึง การไล่แก๊ส, สกัดและการกระตุ้นเอนไซม์ การใช้งานที่ยากด้วยอัลตราซาวนด์ที่มีความเข้มสูง / กําลังสูง (ส่วนใหญ่อยู่ภายใต้ความดันสูง) คือ กัดเปียก, การแยกตัวเป็นก้อน & การลดขนาดอนุภาคและ สลาย. สําหรับการใช้งานหลายอย่างเช่น การสกัด, การสลายตัวหรือ โซโนเคมีความเข้มของอัลตราโซนิกที่ร้องขอขึ้นอยู่กับวัสดุเฉพาะที่จะ sonicated ด้วยพารามิเตอร์ที่หลากหลายซึ่งสามารถปรับให้เข้ากับแต่ละกระบวนการอัลตราซาวนด์ช่วยให้สามารถค้นหาจุดที่เหมาะสมสําหรับแต่ละกระบวนการ
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)

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

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

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

ภาพที่ 2 - ผังงานสําหรับการเพิ่มประสิทธิภาพของกระบวนการอัลตราโซนิก

ขยายขนาดไปสู่การผลิตเชิงพาณิชย์

หากพบการกําหนดค่าที่เหมาะสมที่สุดการขยายขนาดเพิ่มเติมจะง่ายเนื่องจากกระบวนการอัลตราโซนิก ทําซ้ําได้อย่างเต็มที่ในระดับเชิงเส้น. ซึ่งหมายความว่าเมื่อใช้อัลตราซาวนด์กับสูตรของเหลวที่เหมือนกันภายใต้การกําหนดค่าพารามิเตอร์การประมวลผลที่เหมือนกันต้องใช้พลังงานเดียวกันต่อปริมาตรเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่เหมือนกันโดยไม่ขึ้นกับขนาดของการประมวลผล (ฮิลสเชอร์ 2005). ทําให้สามารถใช้การกําหนดค่าพารามิเตอร์ที่เหมาะสมที่สุดของอัลตราซาวนด์ให้ได้ขนาดการผลิตเต็มรูปแบบ ปริมาณที่สามารถประมวลผลด้วยอัลตราโซนิกได้ไม่จํากัด ระบบอัลตราโซนิกเชิงพาณิชย์ที่มีมากถึง 16,000 วัตต์ ต่อหน่วยสามารถใช้ได้และสามารถติดตั้งเป็นคลัสเตอร์ได้ กลุ่มโปรเซสเซอร์อัลตราโซนิกดังกล่าวสามารถติดตั้งแบบขนานหรือแบบอนุกรมได้ ด้วยการติดตั้งโปรเซสเซอร์อัลตราโซนิกกําลังสูงแบบคลัสเตอร์พลังงานทั้งหมดเกือบไม่ จํากัด เพื่อให้สามารถประมวลผลสตรีมปริมาณมากได้โดยไม่มีปัญหา นอกจากนี้หากจําเป็นต้องปรับระบบอัลตราโซนิกเช่นเพื่อปรับพารามิเตอร์ให้เป็นสูตรของเหลวที่ดัดแปลงส่วนใหญ่สามารถทําได้โดยการเปลี่ยน sonotrode, booster หรือเซลล์การไหล ความสามารถในการปรับขนาดเชิงเส้นความสามารถในการทําซ้ําและการปรับตัวของอัลตราซาวนด์ทําให้เทคโนโลยีที่เป็นนวัตกรรมนี้มีประสิทธิภาพและคุ้มค่า

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

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

พารามิเตอร์ที่สําคัญที่สุดของการประมวลผลอัลตราโซนิก ได้แก่ แอมพลิจูด (A) ความดัน (p) ปริมาตรเครื่องปฏิกรณ์ (VR) อุณหภูมิ (T) และความหนืด (η)

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

The ultrasound amplitude is an important process parameter.

ตารางที่ 2 – คําแนะนําทั่วไปสําหรับแอมพลิจูด

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

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

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[] = 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)

การหมักด้วยอัลตราโซนิกช่วยส่งผลให้ผลผลิตเอทานอลสูงขึ้นอย่างมีนัยสําคัญ ไบโอเอทานอลผลิตจากฟางข้าว

แผนภูมิ 2 – การเพิ่มผลผลิตเอทานอลด้วยอัลตราโซนิกระหว่างการหมัก (Yoswathana et al. 2010)

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 11.8Wcm2. 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

UIP1000hd Bench-Top Ultrasonic Homogenizer

Picure 4 – ตั้งค่าด้วยโปรเซสเซอร์อัลตราโซนิก 1000W UIP1000hd, โฟลว์เซลล์, ถังและปั๊ม

ติดต่อเรา! / ถามเรา!

สอบถามข้อมูลเพิ่มเติม

โปรดใช้แบบฟอร์มด้านล่างเพื่อขอข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับโปรเซสเซอร์อัลตราโซนิกการหมักไบโอเอทานอลด้วยอัลตราโซนิกและราคา เรายินดีที่จะหารือเกี่ยวกับกระบวนการผลิตไบโอเอทานอลของคุณกับคุณและเสนอเครื่องสะท้อนเสียงเพื่อปรับปรุงกระบวนการของคุณ!












วรรณกรรม/อ้างอิง


เรายินดีที่จะพูดคุยเกี่ยวกับกระบวนการของคุณ

Let's get in contact.