Ultrasonik Biyoetanol üretimi için fermentasyon Destekli

fermantasyon

Fermantasyon, bakteri, mantar ya da başka biyolojik hücre kültürleri ya da enzimler ile organik madde dönüştürmek için biyoteknolojik uygulamalarında kullanılan bir aerobik (= oksidatif fermantasyon) veya anaerobik işlem olabilir. Fermantasyon ile, enerji organik bileşikleri, mesela, oksidasyonu elde edilir karbonhidratlar.

Şeker, örneğin laktik asit, laktoz, etanol ve hidrojen gibi ürünlerin Mayalanmadan sonra elde edilen fermantasyon en yaygın alt-tabakadır. Alkollü içecekler için özellikle yakıt olarak kullanılmak üzere, ancak - alkol fermantasyonu, etanol için – fermantasyon ile üretilir. Tüm bu gibi bazı maya suşları, Saccharomyces cerevisiae şeker metabolize, maya hücreleri, etanol ve karbondioksite başlangıç ​​malzemesi dönüştürün.

kimyasal denklemler aşağıda dönüşüm özetlemek:

Başlangıç ​​malzemesi nişasta ise, örneğin, mısırdan, ilk olarak nişasta şekeri dönüştürülmelidir. Yakıt olarak kullanılan biyo-etanol, nişasta dönüştürme için hidroliz gereklidir. Tipik haliyle, hidroliz, asidik veya enzimatik muamele ile ya da her ikisinin bir kombinasyonu ile hızlandırılır. Normal olarak, fermantasyon yaklaşık 35-40 ° C'de gerçekleştirilir.
Çeşitli fermantasyon süreçleri üzerinde Genel Bakış:

Gıda :

• Üretim & koruma
• Süt (laktik asit fermantasyon), örneğin yoğurt, ayran, kefir
• laktik fermente sebzeler, örneğin, kimchi, miso, natto, tsukemono, lahana turşusu
• aromatik geliştirilmesi, örneğin soya sosu
• Tabaklama maddeleri, örneğin ayrışma çay, kakao, kahve, tütün
• Alkollü içkiler, ör bira, şarap, viski

İlaçlar :

• Tıbbi bileşikleri, mesela, üretimi insülin, hiyalüronik asit

Biyogaz / Etanol:

• biyogaz iyileştirme / biyoetanol üretimi

tezgah üstü ve pilot büyüklüğü çeşitli araştırma kağıtları ve testler ultrason enzimatik fermantasyon için daha fazla biyolojik kütle kullanılabilir hale fermentasyon işlemini geliştirir göstermiştir. Takip eden bölümde, bir sıvı içinde ultrason etkisi üzerinde durulacaktır.

Ultrasonik sıvı işleme Etkileri

yüksek-güç / düşük frekanslı bir ultrason ile yüksek amplitüdleri oluşturulabilir. Bu suretle, yüksek güçte / düşük frekanslı ultrason gibi, karıştırma, emülsifiye edici, dağıtıcı ve deaglomerasyon, ya da öğütme gibi sıvıların işlenmesi için de kullanılabilir.
yüksek yoğunluklarda sıvıları sonike zaman, sıvı ortam içine yayılması ses dalgaları frekansa bağlı oranları, yüksek basınç (sıkıştırma) ve alçak basınç (seyrelme) döngülerde sonuçlanır. Düşük basınç döngüsü sırasında, yüksek yoğunluklu ultrason dalgaları sıvı içinde küçük bir vakum kabarcığı ya da boşluk oluşturur. kabarcıklar artık enerjiyi absorbe edildiği bir hacme ulaşmak zaman, onlar yüksek basınçlı döngüsü sırasında şiddetle daraltmak. Bu olgu kavitasyon denir. kavitasyon, yani “bir sıvı içinde kabarcık oluşumu, büyümesi ve içe doğru patlama çöker. Kavitasyon çöküşü yoğun lokal ısıtma (~ 5000 K), yüksek basınç (-1000 atm) ve büyük ısıtma ve soğutma oranları (üretir>109 K / saniye)” ve sıvı jet akışları (~ 400 km / saat)”. (Suslick 1998)

Yüksek basınçlı nozullar, rotor stator mikserleri veya ultrasonik işlemciler gibi kavitasyon yaratmanın farklı yolları vardır. Bütün bu sistemlerde girdi enerjisi sürtünme, türbülans, dalga ve kavitasyona dönüşür. Giriş enerjisinin kavitasyona dönüştürülen kısmı, kavitasyon üretici ekipmanın sıvı içindeki hareketini açıklayan birkaç faktöre bağlıdır. İvmenin yoğunluğu, enerjinin kavitasyona verimli dönüşümünü etkileyen en önemli faktörlerden biridir. Daha yüksek hızlanma, daha yüksek basınç farklılıkları oluşturur. Bu da, sıvının içinden yayılan dalgaların yaratılması yerine, vakum kabarcıklarının yaratılma olasılığını arttırır. Böylece, ivme arttıkça, kavitasyona dönüşen enerjinin oranı daha yüksektir.
bir ultrasonik güç çevirici olması durumunda, titreşim genliği ivme şiddetini tanımlamaktadır. Daha yüksek genlikleri kavitasyon daha etkili oluşturulmasıyla sonuçlanır. yoğunluğu ek olarak, sıvı türbülanslar, sürtünme ve dalga üretimi açısından en az kayıp oluşturmak için bir şekilde hızlandırılmalıdır. Bunun için en uygun yoldur hareketinin tek taraflı yöndür. yoğunluğu ve sonikasyon işleminin parametrelerini değiştirilmesi, ultrason çok sert ya da çok yumuşak olabilir. Bu çeşitli uygulamalar için ultrason çok yönlü bir araç yapar.

dahil, ılımlı koşullar altında, hafif bir sonikasyon uygulanması yumuşak uygulamalar, Gaz giderme, Emülsiyon Ve enzim aktivasyonu. olan yüksek yoğunluklu / (çoğunlukla yükseltilmiş bir basınç altında) yüksek güçlü ultrason ile sert uygulamaları Islak Öğütme, Dağılmanın & partikül boyutu azaltılması ve dispersiyon. gibi birçok uygulamalar için ekstraksiyon, Parçalanma ya da Sono-kimyaIstenen ultrasonik yoğunluğu özel maddenin ne olduğuna bağlı olarak sonikasyona tabi için. Bireysel sürecine adapte edilebilir parametrelerin çeşitli olarak, ultrason her işlem için tatlı nokta bulma sağlar.
Genlik, basınç ve sıcaklık, Viskozite ve Konsantrasyon: olağanüstü bir güç dönüşmesinin yanında, ultrasonikasyon tam en önemli parametrelerden üzerinde kontrol büyük avantaj sunmaktadır. Bu her bir spesifik malzeme için ideal bir işleme parametrelerini bulmak için hedefi ile tüm bu parametreleri ayarlamak için imkan sunuyor. Bu yüksek verimlilik hem de iyileştirilmiş verimlilik ile sonuçlanır.

Ultrason biyoetanol üretimi ile örnek olarak açıkladı Fermantasyon İşlemler Artırmak İçin

Biyoetanol anaerobik ya da aerobik bakteriler tarafından biyo-kütlenin veya atık biyobozunur maddenin ayrışma ürünüdür. üretilen etanol esas olarak biyo-yakıt olarak kullanılır. Bu doğal gaz gibi fosil yakıtların, bir yenilenebilir ve çevre dostu bir alternatif biyoetanol yapar.
biyokütle, şeker, nişasta ve lignoselülozik malzeme etanol üretmek için ham madde olarak kullanılabilir. bu durum ekonomik olarak elverişli olduğu gibi endüstriyel üretim boyutu, şeker ve nişasta için, şu anda hakim olan.
ultrason belirli koşullar altında belirli hammadde ile müşteri birey sürecini iyileştirir nasıl fizibilite testleri ile çok basit denenebilir. Birinci aşamada, bir ultrasonik hammadde bulamaç az miktarda sonikasyonu 'de laboratuvar cihazı ultrason hammaddeyi nasıl etkiler ise, gösterecektir.

Fizibilite Testi

İlk test aşamasında, herhangi bir sonuç elde edilebilir olup olmadığını görmek için, sıvı olarak ve böylece şansı artar, küçük bir hacim içinde ultrasonik enerji nispeten yüksek bir miktarını eklemek için uygundur. Küçük bir örnek hacmi de bir laboratuar cihaz kullanarak süresini kısaltır ve ilk testler için maliyetleri azaltır.
ultrason dalgalarının sıvıya sonotrot yüzeyine iletilmektedir. sonotrod yüzeyi Beneth, ultrason yoğunluğu en yoğun olduğu. Bu şekilde, sonotrot ve ultrasonik banyoda malzeme arasındaki kısa mesafeler tercih edilir. Küçük bir sıvı hacmi maruz kaldığı zaman, sonotrot mesafe kısa tutulabilir.
Aşağıdaki tablo, optimizasyon sonra sonikasyon işlemleri için tipik bir enerji / hacim seviyelerini göstermektedir. İlk çalışmalar sonike malzeme ya da herhangi bir etkisinin olup olmadığının gösterir tipik değer 10 ila 50 kat ile uygun konfigürasyon, sonikasyon yoğunluğu ve anda çalışacak almayaca¤.

süreç	Enerji/ hacim	Örnek hacim	Güç	Zaman
Basit	< 100Ws / ml	10mL	50w	< 20 saniye
Orta	500Ws için 100Ws / ml / ml	10mL	50w	100 saniye 20
Zor	> 500Ws / ml	10mL	50w	>100 sn

tablo 1 – işlem optimizasyon sonra tipik sonikasyon değerleri

test çalışmaları gerçek güç girişi entegre veri kayıt ile kaydedilebilir (UP200Ht ve UP200St), bilgisayar arayüzü veya Güçmetrelerden ile. amplitüd ayar ve sıcaklık kayıtlı verileri ile birlikte, her bir deneme sonuçları değerlendirilebilir ve enerji / hacim için bir taban hattı kurulabilir.
Testler sırasında optimal bir konfigürasyon seçildiyse, bu konfigürasyon performansı bir optimizasyon adımı sırasında doğrulanabilir ve nihayet ticari seviyeye yükseltilebilir. Optimizasyonu kolaylaştırmak için, belirli formülasyonlar için sıcaklık, genlik veya enerji / hacim gibi sonikasyon limitlerini de incelemeniz önemle tavsiye edilir. Ultrason hücrelere, kimyasallara veya parçacıklara negatif etki oluşturabileceği için, her bir parametrenin kritik seviyelerinin, aşağıdaki optimizasyonun, olumsuz etkilerin gözlemlenmediği parametre aralığına sınırlandırılması için incelenmesi gerekir. Fizibilite çalışması için, bu tür denemelerde ekipman ve numunelerin masraflarını sınırlamak için küçük laboratuvar veya tezgah üstü birimler tavsiye edilir. Genellikle 100 ila 1,000 Watt birim fizibilite çalışmasının amacına çok iyi hizmet eder. (bkz. Hielscher 2005)

Optimizasyon

fizibilite çalışmaları sırasında elde edilen sonuçlar tedavi küçük hacimli konularında oldukça yüksek enerji tüketimini gösterebilir. Ancak, fizibilite testin amacı, malzemenin ultrason etkilerini göstermek için esas olan. olumlu etkileri test fizibilite meydana olması halinde, daha fazla çaba enerji / hacim oranının optimize etmek için yapılır. Bu ekonomik açıdan en makul ve verimli işlemi yapmak mümkün az enerji kullanarak en yüksek verimi elde etmek için ultrason parametrelerinin ideal bir yapılandırmayı keşfetmeye gelir. Optimal parametre yapılandırması bulmak için – en az enerji girişi ile amaçlanan yararları elde - en önemli parametreler arasındaki korelasyon Genlik, basınç, sıcaklık ve sıvı bileşim incelenmelidir. basınç önemli bir parametre toplu sonication için etkilenemez Bu ikinci aşamada akış hücresi reaktörünün sürekli bir sonikasyon kurulumu için toplu sonikasyon değişim önerilir. Bir grup içinde sonikasyon sırasında basıncı, ortam basıncı ile sınırlıdır. sonikasyon işlemi basınçlandırılabilir akış hücresi odası geçerse, basınç genel olarak ultrasonik etkileyen yüksek (veya azalmaz) olabilir kavitasyon büyük ölçüde. bir akış hücresi kullanılarak, basıncı ve işlem verimliliği arasında bir ilişki belirlenebilir. arasındaki Ultrasonik işlemciler 500 watt ve 2000 watt bir güç işlemini optimize etmek en uygun olanlardır.

Ticari Üretime Ölçek-up

uygun yapılandırma bulunmuştur ise ultrasonik işlemler gibi, bundan başka ölçek büyütme basittir doğrusal bir ölçek üzerinde tamamen yeniden üretilebilir. Bu, ultrasonun, aynı işlem parametresi konfigürasyonu altında özdeş bir sıvı formülasyona uygulandığı zaman, işlem ölçeğinden bağımsız bir özdeş sonuç elde etmek için hacim başına aynı enerjiye ihtiyaç duyulduğu anlamına gelir. (Hielscher 2005). Bu, ultrasonun optimal parametre konfigürasyonunun tam ölçekli üretim boyutuna uygulanmasını mümkün kılar. Neredeyse, ultrasonik olarak işlenebilen hacim sınırsızdır. Ticari ultrasonik sistemler 16.000 watt Birim başına kullanılabilir ve kümeler halinde monte edilebilir. ultrasonik işlemci Bu kümeler, paralel ya da seri olarak monte edilebilir. Yüksek hacimli akışları sorunsuz işlenebilir, böylece yüksek güç ultrasonik işlemcilerin küme akıllı kurulum olarak, toplam güç neredeyse sınırsızdır. Ayrıca, ultrasonik sistemin bir adaptasyon gerekli ise, örneğin, değiştirilmiş sıvı formülasyona parametrelerini ayarlamak için, bu çok sonotrot, yükseltici değiştirmek veya akış hücresinin ile yapılabilir. doğrusal ölçeklenebilirlik, tekrarlanabilirlik ve ultrason uyum bu yenilikçi teknoloji, verimli ve uygun maliyetli olun.

Ultrasonik İşleme Parametreleri

Ultrasonik sıvı işleme bir dizi parametre ile tarif edilir. Genlik, basınç, sıcaklık, viskozite ve konsantrasyon çok önemlidir. işlem sonucu, örneğin parçacık boyutu bakımından, belirli bir parametre konfigürasyonu için işlenmiş hacim başına enerji bir fonksiyonudur. fonksiyon bireysel parametrelerindeki değişiklikler ile değiştirir. Bundan başka, bir ultrasonik biriminin sonotrodun yüzey alanı başına gerçek güç çıkışı parametrelere bağlıdır. sonotrodun yüzey alanı başına güç çıkış yüzeyi yoğunluğu (I) bileşiğidir. yüzey yoğunluğu amplitüd (A), basınç (p) ile bağlıdır, reaktör hacmi (VR), sıcaklık (T), viskozite (η) ve diğerleri.

üretilen kavitasyon etkisi yüzey yoğunluğuna bağlıdır. Aynı şekilde, süreç sonucu ilişkilidir. ultrasonik biriminin toplam güç çıkış yüzeyi yoğunluğunun (I) ve yüzey alanının (S) aşamasının ürünü olan:

P [W] ben [W / aa²] * S[aa²]

genlik

Salınımın genliği sonotrot yüzeyi, belirli bir süre (20 kHz de örneğin 1 /, 20.000) içinde hareket yolu (örneğin 50 um) anlatmaktadır. genlik büyük, daha yüksek bir oran olan her darbede basıncı düşer ve artar. Buna ek olarak, daha büyük bir kavitasyon hacmi (kabarcık boyut ve / veya sayısı) ile sonuçlanan her bir vuruş hacmi artar değiştirmesi. dispersiyonlar uygulandığında, yüksek amplitüdleri katı partiküller için daha yüksek bir yıkıcılık göstermektedir. Tablo 1, bazı ultrasonik işlemleri için genel değerleri gösterir.

basınç

Bir sıvının kaynama noktası, basınca bağlıdır. Basınç ne kadar yüksek olursa kaynama noktası o kadar yüksek olur ve tersine çevrilir. Yüksek basınç, kaynama noktasına yakın veya yüksek sıcaklıklarda kavitasyona izin verir. Ayrıca, patlamanın içindeki statik basınç ve buhar basıncı arasındaki farka bağlı olarak patlamanın şiddetini de arttırır (bkz. Vercet ve ark. 1999). Ultrasonik güç ve yoğunluk, basınçtaki değişikliklerle hızlı bir şekilde değiştiği için, sabit basınçlı bir pompa tercih edilir. Bir akış hücresine sıvı beslenirken, pompa uygun basınçta spesifik sıvı akışını idare edebilmelidir. Diyafram veya membran pompaları; esnek boru, hortum veya sıkma pompaları; peristaltik pompalar; veya piston veya dalgıç pompa, alternatif basınç dalgalanmaları yaratacaktır. Sürekli olarak kararlı bir basınçta soniklenecek sıvının beslenmesini sağlayan santrifüj pompalar, dişli pompalar, spiral pompalar ve aşamalı boşluk pompaları tercih edilir. (Hielscher 2005)

Sıcaklık

bir sıvı sonike tarafından, güç ortam içine aktarılır. Olarak ultrasonik üretilen titreşim türbülansları sürtünme sonikasyona sıvının karışmasına sebep olur - termodinamik yasalara uygun olarak – ısınır. işlenmiş ortamın Yüksek sıcaklıklar malzemeye yıkıcı ve ultrasonik kavitasyon etkinliğini azaltabilir. Yenilikçi ultrasonik akış hücreleri bir soğutma kılıfı (resim) ile donatılmıştır. bu olarak, ultrasonik işlem sırasında malzemenin sıcaklığı üzerinde tam kontrol verilir. Daha küçük hacimli beher sonication için ısı dağılımı için bir buz banyosu tavsiye edilir.

Viskozite ve konsantre

Ultrasonik değirmencilik ve dispersiyon Sıvı işlemlerdir. parçacıklar, örneğin, bir süspansiyon içinde olmak zorunda su, yağ, çözücü ya da reçineler. Ultrasonik akış sistemlerinin kullanılması ile, çok viskoziteli, hamurumsu bir malzeme sonikasyon mümkün hale gelir.
Yüksek güçlü ultrasonik işlemci oldukça yüksek katı konsantrasyonunda çalıştırılabilir. Ultrasonik öğütme etkisi parçacık arası çarpışma neden olduğu gibi yüksek konsantrasyonu, ultrasonik işlem etkinliğini sağlar. Araştırmalar silis kırılma oranı ağırlıkça% 50 katı yoğunluğu kadar bağımsız olduğunu göstermiştir. yüksek oranda konsantre malzemenin oranı ile ana gruplar işleme ultrasonikasyon kullanılarak ortak bir üretim yöntemidir.

Güç ve Enerji vs Yoğunluğu

Yüzey yoğunluğu ve toplam güç işleme yoğunluğunu tarif girmektedirler. sonike örnek hacmi ve belirli bir yoğunlukta maruz kalma süresi, ölçeklenebilir ve tekrarlanabilir hale getirmek için bir sonikasyon işlemi açıklamak için dikkate alınması gerekir. Belirli bir parametre yapılandırma işlemi sonucu için, örneğin, parçacık boyutu ya da kimyasal dönüşümü, hacim başına enerji (E / H) bağlıdır.

Sonuç = F (E /V )

enerjisi (E) çıkış gücü (P) ve maruz kalma (t) zamanında ürünü olduğu.

E[ws] = P[W] *T[S]

Parametre yapılandırmasında değişiklikler sonucu işlevini değişecektir. Bu da, belirli bir sonuç değeri elde etmek için, belirli bir örnek değer (V) için gerekli olan enerji miktarını (E) değişir. nedenle bir sonuç almak için bir işleme ultrason belli bir güce dağıtmak için yeterli değildir. Daha sofistike bir yaklaşım, gerekli güç ve güç işlem malzemesi konulmalıdır hangi parametre konfigürasyonunu tanımlamak için gereklidir. (2005 Hielscher)

Ultrasonik biyoetanol üretimini Destekli

Zaten ultrason biyoetanol üretimini artırır olduğu bilinmektedir. Yine de pompalanabilir yüksek ölçüde kıvamlı bir bulamaç, biyolojik kütle ile sıvı kalınlaştırmak tavsiye edilir. sonikasyon işlemi en etkin çalıştırılabilir, böylece ultrasonik reaktörler, oldukça yüksek bir katı konsantrasyonları işleyebilir. daha fazla malzeme bulamacı içinde ihtiva edilmektedir, sonikasyon işlemine kar olmaz az bir taşıyıcı sıvı, tedavi edilecektir. bir sıvı içine enerji girişi, termodinamik hakları ile sıvının bir ısınmasına neden olur, bu ultrason enerjisi mümkün olduğu kadar, hedef maddenin uygulandığı anlamına gelir. Böyle etkin bir süreç tasarımı ile, fazla taşıyıcı sıvının israf ısıtma önlenir.
Ultrason yardımcı ekstraksiyon hücre içi madde ve enzimatik fermantasyon için ve böylece kullanılabilir hale getirir. Hafif ultrason tedavisi enzimatik aktivitesini artırabilir, ancak biyokütle çıkarılması için daha yoğun bir ultrason gerekli olacaktır. Böylelikle, enzimler, yoğun ultrason sonikasyon bir istenilen etki olan, enzimleri inaktive sonra biyokütle bulamacına ilave edilmelidir.

bilimsel araştırma ile elde Güncel sonuçları:

Yoswathana et al çalışmaları. pirinç samanından biyoetanol üretimi ile ilgili (2010) göstermiştir ki,% 44 kadar (pirinç samanı bazında) bir artmış şeker verim enzimatik işlem kurşun öncesinde asit ön işlem kombinasyonu ve ultrasonik. Bu şeker Lignoselüloz malzeme enzimatik hidroliz önce fiziksel ve kimyasal ön arıtma kombinasyonunun etkinliğini göstermektedir.

Tablo 2, grafiksel biçimde pirinç samanından biyoetanol üretimi sırasında ultrasonik radyasyon olumlu etkilerini göstermektedir. (Kömür asit / enzim ön ve ultrasonik ön işlemden ön işleme tabi tutulmuş numunelerin detoksifıye etmek üzere kullanılmıştır.)

Başka bir çalışmada, hücre dışı ve β-galaktosidaz enzimin hücre içi düzeylerde ultrasonikasyon etkisi incelenmiştir. Sulaiman ve diğ. (2011), Kluyveromyces marxianus maya büyümesinin uyarılması kontrollü bir sıcaklıkta ultrason kullanarak (ATCC 46537), esas olarak biyo-etanol üretiminin verimliliğini artırabilir. makalenin yazarları, ≤20% görev çevrimleri güç ultrason (20 kHz) uygulanması eşliğinde aralıklı sonikasyon K. Marxianus 11.8Wcm nispeten yüksek bir sonikasyon yoğunlukta biyo kütle üretimi, laktoz metabolizması ve etanol üretimi uyardığını devam^-2. en iyi şartlar altında, sonikasyon kontrolü için yaklaşık 3.5 katı ile son etanol konsantrasyonu arttırılmış. Bu madde, etanol verimlilikte bir 3.5 kat artışı karşılık gelmektedir, fakat sonikasyon yoluyla suyu metre küp başına ek bir güç girişi 952W gerekli. enerji Bu ek koşul, yüksek değerli ürünler için, kolaylıkla yüksek verimlilik ile telafi edilebilir, biyo-reaktörlerde için kabul edilebilir işletme normları içinde kesinlikle olduğu görülmüştür.

Sonuç: Ultrasonik Destekli Fermantasyon gelen Faydaları

Ultrasonik muamele biyoetanol verimi artırmak için etkin ve yenilikçi bir teknik olarak gösterilmiştir. Öncelikle, ultrason, mısır, soya fasulyesi, saman, lignin-selülozik malzeme veya bitkisel atık malzemeler olarak, biyokütleden hücre içi madde elde etmek için kullanılmaktadır.

• biyoetanol verim artış
• Disinteration / Hücre çevreye zarar ve hücre içi bir maddenin salım
• Geliştirilmiş anaerobik ayrışma
• Hafif sonikasyon ile enzim aktivasyonu
• yüksek konsantrasyonlu bulamaçları ile işlem verimliliğinin iyileştirilmesi

Basit bir testin, tekrarlanabilir ölçek büyütme ve (aynı zamanda zaten mevcut üretim akışlarında) kolay kurulum ULTRASONICS karlı ve verimli teknolojiyi yapar. ticari işlemler için Güvenilir endüstriyel ultrasonik işlemci kullanılabilir ve mümkün neredeyse sınırsız sıvı hacimlerini ses dalgalarına maruz kolaylaştırır.