การหมักโดยใช้อัลตราซาวนด์ช่วยเพื่อผลิตไบโอเอทานอล

การหมักโดยใช้อัลตราซาวนด์ช่วยสามารถเพิ่มการผลิตไบโอเอทานอลได้ โดยส่งเสริมการสลายคาร์โบไฮเดรตเชิงซ้อนให้เป็นน้ำตาลที่มีโครงสร้างเรียบง่ายขึ้น ทำให้ยีสต์นำไปเปลี่ยนเป็นเอทานอลได้ง่ายขึ้น ขณะเดียวกัน การให้คลื่นอัลตราซาวนด์ยังช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการซึมผ่านของผนังเซลล์ยีสต์ ทำให้ปลดปล่อยเอทานอลได้เร็วขึ้นและเพิ่มการผลิตโดยรวม ดังนั้น การหมักไบโอเอทานอลโดยใช้อัลตราซาวนด์ช่วยจึงให้อัตราการเปลี่ยนสารและผลได้สูงขึ้น

การหมัก

การหมักอาจเป็นกระบวนการแบบใช้ออกซิเจน (= การหมักแบบออกซิเดชัน) หรือแบบไม่ใช้ออกซิเจน ซึ่งใช้ในงานเทคโนโลยีชีวภาพเพื่อเปลี่ยนสารอินทรีย์โดยใช้เซลล์เพาะเลี้ยงของแบคทีเรีย เชื้อรา หรือเซลล์ชีวภาพอื่น ๆ หรือใช้เอนไซม์ การหมักเป็นการดึงพลังงานจากการออกซิเดชันของสารประกอบอินทรีย์ เช่น คาร์โบไฮเดรต
น้ำตาลเป็นสารตั้งต้นที่ใช้กันมากที่สุดในการหมัก โดยหลังการหมักจะได้ผลิตภัณฑ์ เช่น กรดแลกติก แลกโทส เอทานอล และไฮโดรเจน ในการหมักแอลกอฮอล์ จะผลิตเอทานอลด้วยการหมัก – โดยเฉพาะเพื่อใช้เป็นเชื้อเพลิง รวมถึงใช้ในเครื่องดื่มแอลกอฮอล์ – เมื่อยีสต์บางสายพันธุ์ เช่น Saccharomyces cerevisiae เผาผลาญน้ำตาล เซลล์ยีสต์จะเปลี่ยนวัตถุดิบเริ่มต้นเป็นเอทานอลและคาร์บอนไดออกไซด์

สมการเคมีด้านล่างสรุปการเปลี่ยนสารนี้:

หากวัตถุดิบเริ่มต้นเป็นแป้ง เช่น แป้งจากข้าวโพด จะต้องเปลี่ยนแป้งเป็นน้ำตาลก่อน สำหรับไบโอเอทานอลที่ใช้เป็นเชื้อเพลิง จำเป็นต้องใช้ไฮโดรลิซิสในการเปลี่ยนแป้ง โดยทั่วไปจะเร่งไฮโดรลิซิสด้วยการใช้กรดหรือเอนไซม์ หรือใช้ทั้งสองร่วมกัน โดยปกติจะดำเนินการหมักที่อุณหภูมิประมาณ 35–40 °C
ภาพรวมของกระบวนการหมักประเภทต่าง ๆ:

อาหาร :

• การผลิต & การถนอมอาหาร
• ผลิตภัณฑ์นม (การหมักกรดแลกติก) เช่น โยเกิร์ต บัตเตอร์มิลก์ คีเฟอร์
• ผักหมักกรดแลกติก เช่น กิมจิ มิโซะ นัตโตะ สึเคโมโนะ ซาวเออร์เคราต์
• การพัฒนาสารให้กลิ่น เช่น ซีอิ๊ว
• การสลายสารฟอกหนัง เช่น ชา โกโก้ กาแฟ ยาสูบ
• เครื่องดื่มแอลกอฮอล์ เช่น เบียร์ ไวน์ วิสกี้

ยา :

• การผลิตสารทางการแพทย์ เช่น อินซูลิน กรดไฮยาลูโรนิก

ก๊าซชีวภาพ/ เอทานอล :

• การปรับปรุงการผลิตก๊าซชีวภาพ/ ไบโอเอทานอล

บทความวิจัยและการทดสอบต่าง ๆ ในระดับเครื่องตั้งโต๊ะและระดับนำร่องแสดงให้เห็นว่าอัลตราซาวนด์ช่วยปรับปรุงกระบวนการหมัก โดยทำให้มีชีวมวลพร้อมสำหรับการหมักด้วยเอนไซม์มากขึ้น ส่วนถัดไปจะอธิบายผลของอัลตราซาวนด์ในของเหลวโดยละเอียด

ผลของการแปรรูปของเหลวด้วยอัลตราซาวนด์

อัลตราซาวนด์กำลังสูง/ ความถี่ต่ำสามารถสร้างแอมพลิจูดสูงได้ จึงสามารถใช้อัลตราซาวนด์กำลังสูง/ ความถี่ต่ำในการแปรรูปของเหลว เช่น การผสม การทำอิมัลชัน การกระจายตัวและการสลายกลุ่มอนุภาค หรือการบด
เมื่อให้คลื่นอัลตราซาวนด์ความเข้มสูงแก่ของเหลว คลื่นเสียงที่แพร่เข้าสู่ตัวกลางของเหลวจะทำให้เกิดวัฏจักรความดันสูง (การอัดตัว) และความดันต่ำ (การขยายตัว) สลับกัน โดยมีอัตราที่ขึ้นอยู่กับความถี่ ในช่วงวัฏจักรความดันต่ำ คลื่นอัลตราซาวนด์ความเข้มสูงจะสร้างฟองสุญญากาศหรือช่องว่างขนาดเล็กในของเหลว เมื่อฟองมีปริมาตรถึงระดับที่ไม่สามารถดูดซับพลังงานได้อีก ฟองจะยุบตัวอย่างรุนแรงในช่วงวัฏจักรความดันสูง ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าคาวิเทชัน คาวิเทชัน คือ “การก่อตัว การเติบโต และการยุบตัวเข้าด้านในของฟองในของเหลว การยุบตัวจากคาวิเทชันทำให้เกิดความร้อนเฉพาะจุดอย่างรุนแรง (~5000 K) ความดันสูง (~1000 atm) และอัตราการเพิ่มและลดอุณหภูมิที่สูงมหาศาล (>109 K/sec)” และกระแสของเหลวพุ่งเป็นลำ (~400 km/h)” (Suslick 1998)

มีวิธีสร้างคาวิเทชันหลายวิธี เช่น ใช้หัวฉีดความดันสูง เครื่องผสมแบบโรเตอร์–สเตเตอร์ หรือเครื่องประมวลผลอัลตราซาวนด์ ในระบบเหล่านี้ทั้งหมด พลังงานที่ป้อนเข้าจะเปลี่ยนเป็นแรงเสียดทาน ความปั่นป่วน คลื่น และคาวิเทชัน สัดส่วนของพลังงานที่ป้อนเข้าซึ่งเปลี่ยนเป็นคาวิเทชันขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการที่อธิบายการเคลื่อนที่ของอุปกรณ์สร้างคาวิเทชันในของเหลว ความเข้มของความเร่งเป็นหนึ่งในปัจจัยสำคัญที่สุดที่มีผลต่อประสิทธิภาพการเปลี่ยนพลังงานเป็นคาวิเทชัน ความเร่งที่สูงขึ้นทำให้เกิดความแตกต่างของความดันสูงขึ้น ซึ่งเพิ่มโอกาสเกิดฟองสุญญากาศแทนการเกิดคลื่นที่แพร่ผ่านของเหลว ดังนั้น ยิ่งความเร่งสูง สัดส่วนของพลังงานที่เปลี่ยนเป็นคาวิเทชันก็ยิ่งสูง
ในกรณีของทรานสดิวเซอร์อัลตราซาวนด์ แอมพลิจูดของการสั่นอธิบายความเข้มของความเร่ง แอมพลิจูดที่สูงขึ้นทำให้สร้างคาวิเทชันได้อย่างมีประสิทธิผลมากขึ้น นอกจากความเข้มแล้ว ควรเร่งของเหลวในลักษณะที่ทำให้สูญเสียจากความปั่นป่วน แรงเสียดทาน และการสร้างคลื่นน้อยที่สุด วิธีที่เหมาะสมที่สุดสำหรับเรื่องนี้คือการเคลื่อนที่ในทิศทางเดียว การปรับความเข้มและพารามิเตอร์ของกระบวนการให้คลื่นอัลตราซาวนด์ทำให้อัลตราซาวนด์มีผลรุนแรงมากหรืออ่อนโยนมากได้ จึงทำให้อัลตราซาวนด์เป็นเครื่องมือที่ใช้งานได้หลากหลายอย่างยิ่ง

การใช้งานแบบอ่อนโยน ซึ่งให้คลื่นอัลตราซาวนด์อย่างอ่อนโยนภายใต้สภาวะที่ไม่รุนแรง ได้แก่ การไล่ก๊าซ, การทำอิมัลชัน และการกระตุ้นเอนไซม์ การใช้งานแบบรุนแรงด้วยอัลตราซาวนด์ความเข้มสูง/ กำลังสูง (ส่วนใหญ่ภายใต้ความดันที่เพิ่มขึ้น) ได้แก่ การบดแบบเปียก, การสลายกลุ่มอนุภาค และการลดขนาดอนุภาค รวมถึง การกระจายตัว สำหรับการใช้งานหลายประเภท เช่น การสกัด การสลายตัว หรือ โซโนเคมี ความเข้มของอัลตราซาวนด์ที่ต้องการขึ้นอยู่กับวัสดุเฉพาะที่จะรับคลื่นอัลตราซาวนด์ ด้วยพารามิเตอร์ที่หลากหลายซึ่งสามารถปรับให้เหมาะกับแต่ละกระบวนการ อัลตราซาวนด์จึงช่วยให้ค้นหาจุดที่เหมาะสมที่สุดสำหรับแต่ละกระบวนการได้
นอกจากการแปลงกำลังที่โดดเด่นแล้ว การให้คลื่นอัลตราซาวนด์ยังมีข้อได้เปรียบอย่างมากจากการควบคุมพารามิเตอร์ที่สำคัญที่สุดได้อย่างเต็มที่ ได้แก่ แอมพลิจูด ความดัน อุณหภูมิ ความหนืด และความเข้มข้น จึงสามารถปรับพารามิเตอร์ทั้งหมดนี้เพื่อค้นหาพารามิเตอร์การแปรรูปที่เหมาะสมที่สุดสำหรับวัสดุแต่ละชนิด ส่งผลให้มีประสิทธิผลสูงขึ้นและมีประสิทธิภาพที่ปรับให้เหมาะสมด้วย

อัลตราซาวนด์เพื่อปรับปรุงกระบวนการหมัก โดยอธิบายผ่านตัวอย่างการผลิตไบโอเอทานอล

ไบโอเอทานอลเป็นผลิตภัณฑ์จากการย่อยสลายชีวมวลหรือสารในของเสียที่ย่อยสลายทางชีวภาพได้ โดยแบคทีเรียแบบไม่ใช้ออกซิเจนหรือแบบใช้ออกซิเจน เอทานอลที่ผลิตได้ส่วนใหญ่ใช้เป็นเชื้อเพลิงชีวภาพ จึงทำให้ไบโอเอทานอลเป็นทางเลือกทดแทนเชื้อเพลิงฟอสซิล เช่น ก๊าซธรรมชาติ ที่หมุนเวียนได้และเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม
ในการผลิตเอทานอลจากชีวมวล สามารถใช้น้ำตาล แป้ง และวัสดุลิกโนเซลลูโลสเป็นวัตถุดิบได้ สำหรับการผลิตในระดับอุตสาหกรรม ปัจจุบันน้ำตาลและแป้งเป็นวัตถุดิบหลักเนื่องจากมีข้อได้เปรียบทางเศรษฐศาสตร์
สามารถทดลองได้อย่างง่ายดายด้วยการทดสอบความเป็นไปได้ว่าอัลตราซาวนด์ช่วยปรับปรุงกระบวนการเฉพาะของลูกค้าที่ใช้วัตถุดิบเฉพาะภายใต้สภาวะที่กำหนดได้อย่างไร ในขั้นแรก การให้คลื่นอัลตราซาวนด์แก่สารแขวนลอยข้นของวัตถุดิบปริมาณเล็กน้อยด้วย อุปกรณ์อัลตราซาวนด์สำหรับห้องปฏิบัติการ จะแสดงให้เห็นว่าอัลตราซาวนด์มีผลต่อวัตถุดิบหรือไม่

การทดสอบความเป็นไปได้

ในระยะแรกของการทดสอบ ควรป้อนพลังงานอัลตราซาวนด์ในปริมาณค่อนข้างสูงลงในของเหลวปริมาตรเล็กน้อย เพราะจะเพิ่มโอกาสในการเห็นว่าสามารถได้ผลลัพธ์ใด ๆ หรือไม่ ปริมาตรตัวอย่างที่เล็กยังช่วยลดเวลาการใช้อุปกรณ์ห้องปฏิบัติการและลดค่าใช้จ่ายสำหรับการทดสอบเบื้องต้น
คลื่นอัลตราซาวนด์ถูกส่งจากพื้นผิวของโซโนโทรดเข้าสู่ของเหลว ใต้พื้นผิวของโซโนโทรดเป็นบริเวณที่มีความเข้มของอัลตราซาวนด์สูงที่สุด ดังนั้น จึงควรให้ระยะห่างระหว่างโซโนโทรดกับวัสดุที่รับคลื่นอัลตราซาวนด์สั้น เมื่อให้คลื่นแก่ของเหลวปริมาตรเล็กน้อย จะสามารถรักษาระยะห่างจากโซโนโทรดให้สั้นได้
ตารางด้านล่างแสดงระดับพลังงาน/ปริมาตรทั่วไปสำหรับกระบวนการให้คลื่นอัลตราซาวนด์หลังการปรับให้เหมาะสม เนื่องจากการทดลองครั้งแรกจะไม่ได้ดำเนินการด้วยการตั้งค่าที่เหมาะสมที่สุด การใช้ความเข้มและเวลาในการให้คลื่นอัลตราซาวนด์เป็น 10 ถึง 50 เท่าของค่าทั่วไปจะแสดงให้เห็นว่ามีผลต่อวัสดุที่รับคลื่นอัลตราซาวนด์หรือไม่

กระบวนการ	พลังงาน/ ปริมาตร	ปริมาตรตัวอย่าง	กำลัง	เวลา
แบบง่าย	< 100Ws/mL	10mL	50W	< 20 sec
แบบปานกลาง	100Ws/mL ถึง 500Ws/mL	10mL	50W	20 ถึง 100 sec
แบบรุนแรง	> 500Ws/mL	10mL	50W	>100 sec

ตารางที่ 1 – ค่าการให้คลื่นอัลตราซาวนด์ทั่วไปหลังการปรับกระบวนการให้เหมาะสม

กำลังที่ป้อนเข้าจริงในการทดสอบสามารถบันทึกได้ผ่านระบบบันทึกข้อมูลในตัว (UP200Ht และ UP200St) อินเทอร์เฟซสำหรับคอมพิวเตอร์ หรือเครื่องวัดกำลัง เมื่อใช้ร่วมกับข้อมูลการตั้งค่าแอมพลิจูดและอุณหภูมิที่บันทึกไว้ จะสามารถประเมินผลของการทดลองแต่ละครั้งและกำหนดค่าพลังงาน/ปริมาตรพื้นฐานได้
หากเลือกการตั้งค่าที่เหมาะสมที่สุดระหว่างการทดสอบแล้ว ก็อาจตรวจสอบสมรรถนะของการตั้งค่านี้ในขั้นตอนการปรับให้เหมาะสม และในที่สุดอาจขยายขนาดไปสู่ระดับเชิงพาณิชย์ได้ เพื่อให้การปรับให้เหมาะสมสะดวกขึ้น ขอแนะนำอย่างยิ่งให้ตรวจสอบขีดจำกัดของการให้คลื่นอัลตราซาวนด์สำหรับสูตรเฉพาะด้วย เช่น อุณหภูมิ แอมพลิจูด หรือพลังงาน/ปริมาตร เนื่องจากอัลตราซาวนด์อาจก่อให้เกิดผลเสียต่อเซลล์ สารเคมี หรืออนุภาค จึงจำเป็นต้องตรวจสอบระดับวิกฤตของแต่ละพารามิเตอร์ เพื่อจำกัดการปรับให้เหมาะสมในขั้นต่อไปให้อยู่ในช่วงพารามิเตอร์ที่ไม่พบผลเสีย สำหรับการศึกษาความเป็นไปได้ แนะนำให้ใช้เครื่องขนาดเล็กสำหรับห้องปฏิบัติการหรือแบบตั้งโต๊ะ เพื่อจำกัดค่าใช้จ่ายด้านอุปกรณ์และตัวอย่างในการทดลองดังกล่าว โดยทั่วไป เครื่องขนาด 100 ถึง 1,000 วัตต์ตอบโจทย์การศึกษาความเป็นไปได้ได้เป็นอย่างดี (ดูประกอบ Hielscher 2005)

การปรับให้เหมาะสม

ผลที่ได้จากการศึกษาความเป็นไปได้อาจแสดงการใช้พลังงานค่อนข้างสูงเมื่อเทียบกับปริมาตรเล็กน้อยที่ผ่านการแปรรูป แต่จุดประสงค์หลักของการทดสอบความเป็นไปได้คือการแสดงผลของอัลตราซาวนด์ต่อวัสดุ หากพบผลเชิงบวกในการทดสอบความเป็นไปได้ จะต้องดำเนินการเพิ่มเติมเพื่อปรับอัตราส่วนพลังงาน/ปริมาตรให้เหมาะสม ซึ่งหมายถึงการค้นหาการตั้งค่าพารามิเตอร์อัลตราซาวนด์ที่เหมาะสมที่สุดเพื่อให้ได้ผลได้สูงที่สุด โดยใช้พลังงานน้อยที่สุดเท่าที่เป็นไปได้ เพื่อให้กระบวนการมีความสมเหตุสมผลทางเศรษฐศาสตร์และมีประสิทธิภาพมากที่สุด ในการค้นหาการตั้งค่าพารามิเตอร์ที่เหมาะสมที่สุด – เพื่อให้ได้ประโยชน์ตามที่ต้องการโดยป้อนพลังงานให้น้อยที่สุด – ความสัมพันธ์ระหว่างพารามิเตอร์ที่สำคัญที่สุด ได้แก่ แอมพลิจูด ความดัน อุณหภูมิ และองค์ประกอบของ ของเหลว จะต้องได้รับการศึกษา ในขั้นตอนที่สองนี้ แนะนำให้เปลี่ยนจากการให้คลื่นอัลตราซาวนด์แบบแบตช์เป็นระบบให้คลื่นอัลตราซาวนด์แบบต่อเนื่องที่มีเครื่องปฏิกรณ์เซลล์การไหล เนื่องจากไม่สามารถปรับพารามิเตอร์สำคัญอย่างความดันในการให้คลื่นอัลตราซาวนด์แบบแบตช์ได้ ระหว่างการให้คลื่นอัลตราซาวนด์แบบแบตช์ ความดันถูกจำกัดอยู่ที่ความดันแวดล้อม หากกระบวนการให้คลื่นอัลตราซาวนด์ผ่านห้องเซลล์การไหลที่ปรับความดันได้ จะสามารถเพิ่ม (หรือลด) ความดัน ซึ่งโดยทั่วไปมีผลต่อ คาวิเทชัน จากอัลตราซาวนด์อย่างมาก การใช้เซลล์การไหลทำให้สามารถระบุความสัมพันธ์ระหว่างความดันกับประสิทธิภาพของกระบวนการได้ เครื่องประมวลผลอัลตราซาวนด์ที่มีกำลังระหว่าง 500 วัตต์ ถึง 2000 วัตต์ เหมาะสมที่สุดสำหรับการปรับกระบวนการให้เหมาะสม

การขยายขนาดสู่การผลิตเชิงพาณิชย์

เมื่อพบการตั้งค่าที่เหมาะสมที่สุดแล้ว การขยายขนาดต่อไปก็ทำได้ง่าย เนื่องจากกระบวนการอัลตราซาวนด์ สามารถให้ผลซ้ำได้อย่างสมบูรณ์เมื่อขยายขนาดแบบเชิงเส้น ซึ่งหมายความว่า เมื่อใช้อัลตราซาวนด์กับของเหลวสูตรเดียวกันภายใต้การตั้งค่าพารามิเตอร์การแปรรูปที่เหมือนกัน จะต้องใช้พลังงานต่อปริมาตรเท่ากันเพื่อให้ได้ผลลัพธ์เหมือนกัน โดยไม่ขึ้นอยู่กับขนาดของการแปรรูป (Hielscher 2005) จึงสามารถนำการตั้งค่าพารามิเตอร์อัลตราซาวนด์ที่เหมาะสมที่สุดไปใช้ในการผลิตเต็มขนาดได้ ในทางปฏิบัติ ปริมาตรที่สามารถแปรรูปด้วยอัลตราซาวนด์นั้นไม่มีขีดจำกัด มีระบบอัลตราซาวนด์เชิงพาณิชย์ที่มีกำลังสูงถึง 16,000 วัตต์ ต่อเครื่อง และสามารถติดตั้งเป็นกลุ่มได้ กลุ่มเครื่องประมวลผลอัลตราซาวนด์ดังกล่าวสามารถติดตั้งแบบขนานหรือแบบอนุกรมได้ การติดตั้งเครื่องประมวลผลอัลตราซาวนด์กำลังสูงเป็นกลุ่มทำให้กำลังรวมแทบไม่มีขีดจำกัด จึงสามารถแปรรูปกระแสของเหลวปริมาตรมากได้โดยไม่มีปัญหา หากจำเป็นต้องปรับระบบอัลตราซาวนด์ เช่น ปรับพารามิเตอร์ให้เข้ากับสูตรของเหลวที่เปลี่ยนไป โดยส่วนใหญ่สามารถทำได้ด้วยการเปลี่ยนโซโนโทรด บูสเตอร์ หรือเซลล์การไหล ความสามารถในการขยายขนาดแบบเชิงเส้น การให้ผลซ้ำได้ และความสามารถในการปรับให้เหมาะกับการใช้งานของอัลตราซาวนด์ ทำให้เทคโนโลยีที่เป็นนวัตกรรมนี้มีประสิทธิภาพและคุ้มค่า

พารามิเตอร์ของการแปรรูปด้วยอัลตราซาวนด์

การแปรรูปของเหลวด้วยอัลตราซาวนด์อธิบายได้ด้วยพารามิเตอร์หลายประการ พารามิเตอร์ที่สำคัญที่สุดคือแอมพลิจูด ความดัน อุณหภูมิ ความหนืด และความเข้มข้น ผลลัพธ์ของกระบวนการ เช่น ขนาดอนุภาค สำหรับการตั้งค่าพารามิเตอร์ที่กำหนด เป็นฟังก์ชันของพลังงานต่อปริมาตรที่ผ่านการแปรรูป ฟังก์ชันนี้จะเปลี่ยนไปเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงพารามิเตอร์แต่ละตัว นอกจากนี้ กำลังขาออกจริงต่อพื้นที่ผิวของโซโนโทรดของเครื่องอัลตราซาวนด์ยังขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์เหล่านี้ด้วย กำลังขาออกต่อพื้นที่ผิวของโซโนโทรดคือความเข้มที่พื้นผิว (I) ความเข้มที่พื้นผิวขึ้นอยู่กับแอมพลิจูด (A) ความดัน (p) ปริมาตรเครื่องปฏิกรณ์ (VR) อุณหภูมิ (T) ความหนืด (η) และปัจจัยอื่น ๆ

ผลของคาวิเทชันที่เกิดขึ้นขึ้นอยู่กับความเข้มที่พื้นผิว ผลลัพธ์ของกระบวนการก็สัมพันธ์กันในลักษณะเดียวกัน กำลังขาออกรวมของเครื่องอัลตราซาวนด์เป็นผลคูณของความเข้มที่พื้นผิว (I) และพื้นที่ผิว (S):

P [W] I [W / mm²]* S[mm²]

แอมพลิจูด

แอมพลิจูดของการสั่นอธิบายระยะทาง (เช่น 50 µm) ที่พื้นผิวโซโนโทรดเคลื่อนที่ในช่วงเวลาที่กำหนด (เช่น 1/20,000s ที่ 20kHz) ยิ่งแอมพลิจูดมาก อัตราที่ความดันลดลงและเพิ่มขึ้นในการเคลื่อนที่แต่ละครั้งก็ยิ่งสูง นอกจากนี้ ปริมาตรที่ถูกแทนที่ในการเคลื่อนที่แต่ละครั้งจะเพิ่มขึ้น ส่งผลให้ปริมาตรคาวิเทชันมากขึ้น (ขนาดและ/หรือจำนวนฟอง) เมื่อใช้กับระบบกระจายตัว แอมพลิจูดที่สูงขึ้นจะแสดงการทำลายอนุภาคของแข็งที่รุนแรงขึ้น ตารางที่ 1 แสดงค่าทั่วไปสำหรับกระบวนการอัลตราซาวนด์บางประเภท

ความดัน

จุดเดือดของของเหลวขึ้นอยู่กับความดัน ยิ่งความดันสูง จุดเดือดก็ยิ่งสูง และในทางกลับกันก็เช่นเดียวกัน ความดันที่เพิ่มขึ้นช่วยให้เกิดคาวิเทชันที่อุณหภูมิใกล้เคียงหรือสูงกว่าจุดเดือดได้ อีกทั้งยังเพิ่มความเข้มของการยุบตัวเข้าด้านใน ซึ่งสัมพันธ์กับความแตกต่างระหว่างความดันสถิตกับความดันไอภายในฟอง (ดูประกอบ Vercet et al. 1999) เนื่องจากกำลังและความเข้มของอัลตราซาวนด์เปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วเมื่อความดันเปลี่ยน จึงควรใช้ปั๊มความดันคงที่ เมื่อจ่ายของเหลวเข้าสู่เซลล์การไหล ปั๊มควรรองรับการไหลของของเหลวที่กำหนดภายใต้ความดันที่เหมาะสมได้ ปั๊มไดอะแฟรมหรือปั๊มเมมเบรน ปั๊มท่ออ่อน ปั๊มสายยางหรือปั๊มบีบ ปั๊มเพอริสตัลติก หรือปั๊มลูกสูบหรือปั๊มพลันเจอร์ จะทำให้เกิดความดันผันผวนสลับกัน ควรใช้ปั๊มหอยโข่ง ปั๊มเฟือง ปั๊มเกลียว และปั๊มโพรงก้าวหน้า ซึ่งจ่ายของเหลวที่จะรับคลื่นอัลตราซาวนด์ด้วยความดันที่คงที่อย่างต่อเนื่อง (Hielscher 2005)

อุณหภูมิ

การให้คลื่นอัลตราซาวนด์แก่ของเหลวเป็นการส่งกำลังเข้าสู่ตัวกลาง เนื่องจากการสั่นที่เกิดจากอัลตราซาวนด์ทำให้เกิดความปั่นป่วนและแรงเสียดทาน ของเหลวที่รับคลื่นอัลตราซาวนด์จึงร้อนขึ้น – ตามกฎของอุณหพลศาสตร์ – อุณหภูมิที่สูงขึ้นของตัวกลางที่ผ่านการแปรรูปอาจทำลายวัสดุและลดประสิทธิผลของคาวิเทชันจากอัลตราซาวนด์ เซลล์การไหลอัลตราซาวนด์ที่เป็นนวัตกรรมมีแจ็กเก็ตหล่อเย็นติดตั้งอยู่ (ดูภาพ) จึงสามารถควบคุมอุณหภูมิของวัสดุระหว่างการแปรรูปด้วยอัลตราซาวนด์ได้อย่างแม่นยำ สำหรับการให้คลื่นอัลตราซาวนด์แก่ของเหลวปริมาตรน้อยในบีกเกอร์ แนะนำให้ใช้อ่างน้ำแข็งเพื่อระบายความร้อน

ความหนืดและความเข้มข้น

การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์เพื่อ การบด และ การกระจายตัว เป็นกระบวนการในของเหลว อนุภาคต้องอยู่ในสารแขวนลอย เช่น ในน้ำ น้ำมัน ตัวทำละลาย หรือเรซิน การใช้ระบบอัลตราซาวนด์แบบไหลผ่านทำให้สามารถให้คลื่นอัลตราซาวนด์แก่วัสดุที่มีความหนืดสูงมากและมีลักษณะเป็นเนื้อข้นได้
เครื่องประมวลผลอัลตราซาวนด์กำลังสูงสามารถทำงานที่ความเข้มข้นของของแข็งค่อนข้างสูงได้ ความเข้มข้นสูงช่วยให้การแปรรูปด้วยอัลตราซาวนด์มีประสิทธิผล เนื่องจากผลการบดด้วยอัลตราซาวนด์เกิดจากการชนกันระหว่างอนุภาค การศึกษาพบว่าอัตราการแตกของซิลิกาไม่ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของของแข็งจนถึง 50% โดยน้ำหนัก การแปรรูปมาสเตอร์แบตช์ที่มีสัดส่วนวัสดุเข้มข้นสูงเป็นวิธีการผลิตที่ใช้กันทั่วไปโดยอาศัยการให้คลื่นอัลตราซาวนด์

กำลังและความเข้มเทียบกับพลังงาน

ความเข้มที่พื้นผิวและกำลังรวมอธิบายได้เพียงความเข้มของการแปรรูปเท่านั้น ต้องพิจารณาปริมาตรตัวอย่างที่รับคลื่นอัลตราซาวนด์และระยะเวลาการรับคลื่นที่ความเข้มหนึ่ง ๆ เพื่ออธิบายกระบวนการให้คลื่นอัลตราซาวนด์ให้สามารถขยายขนาดและให้ผลซ้ำได้ สำหรับการตั้งค่าพารามิเตอร์ที่กำหนด ผลลัพธ์ของกระบวนการ เช่น ขนาดอนุภาคหรือการเปลี่ยนสารทางเคมี จะขึ้นอยู่กับพลังงานต่อปริมาตร (E/V)

ผลลัพธ์ = f (E /V )

โดยพลังงาน (E) เป็นผลคูณของกำลังขาออก (P) และระยะเวลาการรับคลื่น (t)

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

การเปลี่ยนแปลงการตั้งค่าพารามิเตอร์จะเปลี่ยนฟังก์ชันผลลัพธ์ ซึ่งจะทำให้ปริมาณพลังงาน (E) ที่จำเป็นสำหรับปริมาตรตัวอย่างที่กำหนด (V) เพื่อให้ได้ค่าผลลัพธ์เฉพาะเปลี่ยนไปด้วย ด้วยเหตุนี้ การใช้อัลตราซาวนด์ที่กำลังค่าหนึ่งกับกระบวนการเพียงอย่างเดียวจึงไม่เพียงพอที่จะให้ได้ผลลัพธ์ จำเป็นต้องใช้แนวทางที่ละเอียดซับซ้อนยิ่งขึ้นเพื่อระบุกำลังที่ต้องการและการตั้งค่าพารามิเตอร์ที่ควรใช้ในการส่งกำลังเข้าสู่วัสดุในกระบวนการ (Hielscher 2005)

การผลิตไบโอเอทานอลโดยใช้อัลตราซาวนด์ช่วย

เป็นที่ทราบแล้วว่าอัลตราซาวนด์ช่วยปรับปรุงการผลิตไบโอเอทานอล แนะนำให้เติมชีวมวลเพื่อทำให้ของเหลวข้นขึ้นจนเป็นสารแขวนลอยข้นที่มีความหนืดสูงแต่ยังสูบได้ เครื่องปฏิกรณ์อัลตราซาวนด์สามารถรองรับความเข้มข้นของของแข็งค่อนข้างสูงได้ ทำให้กระบวนการให้คลื่นอัลตราซาวนด์ดำเนินไปได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด ยิ่งสารแขวนลอยข้นมีวัสดุมาก ปริมาณของเหลวตัวพาซึ่งไม่ได้รับประโยชน์จากกระบวนการให้คลื่นอัลตราซาวนด์ที่ต้องผ่านการแปรรูปก็ยิ่งน้อยลง เนื่องจากการป้อนพลังงานเข้าสู่ของเหลวทำให้ของเหลวร้อนขึ้นตามกฎของอุณหพลศาสตร์ จึงหมายความว่าพลังงานอัลตราซาวนด์ถูกนำไปใช้กับวัสดุเป้าหมายให้มากที่สุดเท่าที่เป็นไปได้ การออกแบบกระบวนการอย่างมีประสิทธิภาพเช่นนี้ช่วยหลีกเลี่ยงการให้ความร้อนอย่างสิ้นเปลืองแก่ของเหลวตัวพาส่วนเกิน
อัลตราซาวนด์ช่วยใน การสกัด สารภายในเซลล์ ทำให้สารดังกล่าวพร้อมสำหรับการหมักด้วยเอนไซม์ การให้คลื่นอัลตราซาวนด์อย่างอ่อนโยนสามารถเพิ่มกิจกรรมของเอนไซม์ได้ แต่การสกัดชีวมวลจะต้องใช้อัลตราซาวนด์ที่มีความเข้มสูงกว่า ดังนั้น จึงควรเติมเอนไซม์ลงในสารแขวนลอยข้นของชีวมวลหลังการให้คลื่นอัลตราซาวนด์ เนื่องจากอัลตราซาวนด์ความเข้มสูงทำให้เอนไซม์สูญเสียฤทธิ์ ซึ่งเป็นผลที่ไม่พึงประสงค์

ผลลัพธ์ปัจจุบันจากการวิจัยทางวิทยาศาสตร์:

การศึกษาของ Yoswathana et al. (2010) เกี่ยวกับการผลิตไบโอเอทานอลจากฟางข้าวแสดงให้เห็นว่า การใช้การปรับสภาพเบื้องต้นด้วยกรดร่วมกับอัลตราซาวนด์ก่อนการใช้เอนไซม์ทำให้ผลได้น้ำตาลเพิ่มขึ้นได้ถึง 44% (โดยอิงจากฟางข้าว) ผลนี้แสดงประสิทธิผลของการใช้การปรับสภาพเบื้องต้นทางกายภาพและทางเคมีร่วมกัน ก่อนการไฮโดรลิซิสวัสดุลิกโนเซลลูโลสให้เป็นน้ำตาลด้วยเอนไซม์ 

แผนภูมิที่ 2 แสดงผลเชิงบวกของการให้คลื่นอัลตราซาวนด์ระหว่างการผลิตไบโอเอทานอลจากฟางข้าวในรูปแบบกราฟ (มีการใช้ถ่านเพื่อกำจัดสารพิษออกจากตัวอย่างที่ผ่านการปรับสภาพเบื้องต้นด้วยกรด/ เอนไซม์ และการปรับสภาพเบื้องต้นด้วยอัลตราซาวนด์)

ในการศึกษาล่าสุดอีกฉบับหนึ่ง มีการตรวจสอบอิทธิพลของการให้คลื่นอัลตราซาวนด์ต่อระดับเอนไซม์ β-galactosidase ภายนอกและภายในเซลล์ Sulaiman et al. (2011) สามารถเพิ่มผลิตภาพในการผลิตไบโอเอทานอลได้อย่างมาก โดยใช้อัลตราซาวนด์ภายใต้อุณหภูมิที่ควบคุมเพื่อกระตุ้นการเจริญของยีสต์ Kluyveromyces marxianus (ATCC 46537) ผู้เขียนบทความสรุปว่า การให้คลื่นอัลตราซาวนด์เป็นช่วง ๆ ด้วยอัลตราซาวนด์กำลังสูง (20 kHz) ที่สัดส่วนเวลาทำงาน ≤20% กระตุ้นการผลิตชีวมวล การเผาผลาญแลกโทส และการผลิตเอทานอลใน K. marxianus ที่ความเข้มของการให้คลื่นอัลตราซาวนด์ค่อนข้างสูง คือ 11.8Wcm² ภายใต้สภาวะที่ดีที่สุด การให้คลื่นอัลตราซาวนด์เพิ่มความเข้มข้นเอทานอลสุดท้ายขึ้นเกือบ 3.5 เท่าเมื่อเทียบกับชุดควบคุม ซึ่งสอดคล้องกับการเพิ่มผลิตภาพเอทานอล 3.5 เท่า แต่ต้องใช้กำลังป้อนเข้าเพิ่มเติม 952W ต่อลูกบาศก์เมตรของน้ำหมักผ่านการให้คลื่นอัลตราซาวนด์ ความต้องการพลังงานเพิ่มเติมนี้อยู่ภายในเกณฑ์การดำเนินงานที่ยอมรับได้สำหรับเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพอย่างแน่นอน และสำหรับผลิตภัณฑ์มูลค่าสูง สามารถชดเชยได้อย่างง่ายดายด้วยผลิตภาพที่เพิ่มขึ้น

บทสรุป: ประโยชน์จากการหมักโดยใช้อัลตราซาวนด์ช่วย

การใช้อัลตราซาวนด์แสดงให้เห็นว่าเป็นเทคนิคที่มีประสิทธิภาพและเป็นนวัตกรรมในการเพิ่มผลได้ไบโอเอทานอล โดยหลักแล้ว อัลตราซาวนด์ใช้เพื่อสกัดสารภายในเซลล์จากชีวมวล เช่น ข้าวโพด ถั่วเหลือง ฟาง วัสดุลิกโนเซลลูโลส หรือวัสดุเหลือทิ้งจากพืช

• ผลได้ไบโอเอทานอลเพิ่มขึ้น
• การสลายตัว/ การทำลายเซลล์และการปลดปล่อยสารภายในเซลล์
• การย่อยสลายแบบไม่ใช้ออกซิเจนที่ดีขึ้น
• การกระตุ้นเอนไซม์ด้วยการให้คลื่นอัลตราซาวนด์อย่างอ่อนโยน
• การปรับปรุงประสิทธิภาพของกระบวนการด้วยสารแขวนลอยข้นที่มีความเข้มข้นสูง

การทดสอบที่ง่าย การขยายขนาดที่ให้ผลซ้ำได้ และการติดตั้งที่ง่าย (รวมถึงในกระแสการผลิตที่มีอยู่แล้ว) ทำให้อัลตราซาวนด์เป็นเทคโนโลยีที่สร้างผลกำไรและมีประสิทธิภาพ มีเครื่องประมวลผลอัลตราซาวนด์ระดับอุตสาหกรรมที่เชื่อถือได้สำหรับการแปรรูปเชิงพาณิชย์ ซึ่งทำให้สามารถให้คลื่นอัลตราซาวนด์แก่ของเหลวในปริมาตรที่แทบไม่มีขีดจำกัดได้