Biyoetanol Üretimi için Ultrasonik Destekli Fermantasyon

Ultrasonik destekli fermantasyon, kompleks karbonhidratların daha basit şekerlere parçalanmasını teşvik ederek biyoetanol üretimini artırabilir ve mayanın etanole dönüşmesi için daha kolay kullanılabilir hale getirebilir. Eşzamanlı olarak, sonikasyon aynı zamanda maya hücre duvarı geçirgenliğinin verimliliğini artırır, daha hızlı etanol salınımına ve genel üretimin artmasına izin verir. Böylece, ultrasonik destekli biyoetanol fermantasyonu, daha yüksek dönüşüm oranları ve daha yüksek verim ile sonuçlanır.

Fermantasyon

Fermantasyon, organik materyali bakteriyel, fungal veya diğer biyolojik hücre kültürleri veya enzimler tarafından dönüştürmek için biyoteknolojik uygulamalar için kullanılan aerobik (= oksidatif fermantasyon) veya anaerobik bir süreç olabilir. Fermantasyon yoluyla, organik bileşiklerin, örneğin karbonhidratların oksidasyonundan enerji elde edilir.
Şeker, laktik asit, laktoz, etanol ve hidrojen gibi ürünlerde fermantasyondan sonra ortaya çıkan fermantasyonun en yaygın substratıdır. Alkollü fermantasyon için, etanol – özellikle yakıt olarak kullanım için, aynı zamanda alkollü içecekler için de kullanılır – fermantasyon ile üretilir. Bazı maya suşları, örneğin Saccharomyces cerevisiae Şekeri metabolize eden maya hücreleri, başlangıç malzemesini etanol ve karbondioksite dönüştürür.

Aşağıdaki kimyasal denklemler dönüşümü özetlemektedir:

Kimyasal denklemler biyoetanole dönüşümü özetler.

Başlangıç materyali nişasta ise, örneğin mısırdan elde ediliyorsa, öncelikle nişastanın şekere dönüştürülmesi gerekir. Yakıt olarak kullanılan biyoetanol için, nişasta dönüşümü için hidroliz gereklidir. Tipik olarak, hidroliz asidik veya enzimatik muamele veya her ikisinin kombinasyonu ile hızlandırılır. Normalde, fermantasyon yaklaşık 35-40 °C'de gerçekleştirilir.
Çeşitli fermantasyon işlemlerine genel bakış:

Gıda:

• Üretim & koruma
• süt ürünleri (laktik asit fermantasyonu), örneğin yoğurt, ayran, kefir
• laktik fermente sebzeler, örneğin kimchi, miso, natto, tsukemono, lahana turşusu
• Aromatiklerin geliştirilmesi, örneğin soya sosu
• tabaklama maddelerinin ayrışması, örneğin çay, kakao, kahve, tütün
• Alkollü içecekler, örneğin bira, şarap, viski

Uyuşturucu:

• İnsülin, hyaluronik asit gibi tıbbi bileşiklerin üretimi

Biyogaz / Etanol :

• Biyogaz/Biyoetanol üretiminin iyileştirilmesi

Tezgah üstü ve pilot boyuttaki çeşitli araştırma makaleleri ve testler, ultrasonun enzimatik fermantasyon için daha fazla biyokütle sağlayarak fermantasyon sürecini iyileştirdiğini göstermiştir. Aşağıdaki bölümde, ultrasonun bir sıvı içindeki etkileri detaylandırılacaktır.

Ultrasonik Sıvı İşlemenin Etkileri

Yüksek güçlü / düşük frekanslı ultrason ile yüksek genlikler üretilebilir. Bu nedenle, yüksek güçlü / düşük frekanslı ultrason, karıştırma, emülsifiye etme, dağıtma ve topaklama veya öğütme gibi sıvıların işlenmesi için kullanılabilir.
Sıvıları yüksek yoğunluklarda sonikleştirirken, sıvı ortama yayılan ses dalgaları, frekansa bağlı oranlarla alternatif yüksek basınç (sıkıştırma) ve düşük basınç (nadirlik) döngülerine neden olur. Düşük basınç döngüsü sırasında, yüksek yoğunluklu ultrasonik dalgalar sıvıda küçük vakum kabarcıkları veya boşluklar oluşturur. Kabarcıklar artık enerjiyi ememeyecekleri bir hacme ulaştıklarında, yüksek basınç döngüsü sırasında şiddetli bir şekilde çökerler. Bu fenomene kavitasyon denir. KavitasyonYani “bir sıvıdaki kabarcıkların oluşumu, büyümesi ve içe doğru çökmesi. Kavitasyonel çöküş, yoğun yerel ısıtma (~ 5000 K), yüksek basınçlar (~ 1000 atm) ve muazzam ısıtma ve soğutma oranları (>109 K/sn)” ve sıvı jet akımları (~400 km/s)". (Suslick 1998)

Fermantasyon Proseslerini İyileştirmek için Ultrason, biyoetanol üretimi ile örnek olarak açıklanmıştır

Biyoetanol, biyokütle veya biyolojik olarak parçalanabilen atık maddelerin anaerobik veya aerobik bakteriler tarafından ayrışmasının bir ürünüdür. Üretilen etanol esas olarak biyoyakıt olarak kullanılır. Bu, biyoetanolü doğal gaz gibi fosil yakıtlar için yenilenebilir ve çevre dostu bir alternatif haline getirir.
Biyokütleden etanol üretmek için hammadde, şeker, nişasta ve lignoselülozik malzeme kullanılabilir. Endüstriyel üretim büyüklüğü için, şeker ve nişasta ekonomik olarak elverişli oldukları için şu anda baskındır.
Ultrasonografinin, belirli koşullar altında belirli bir hammadde ile müşteri-bireysel bir süreci nasıl iyileştirdiği, fizibilite testleri ile çok basit bir şekilde denenebilir. İlk adımda, az miktarda hammadde bulamacının ultrasonik ile sonikasyonu laboratuvar cihazı ultrasonun hammaddeyi etkileyip etkilemediğini gösterecektir.

Fizibilite testi

İlk test aşamasında, nispeten yüksek miktarda ultrasonik enerjinin küçük bir sıvı hacmine sokulması uygundur, böylece herhangi bir sonuç elde edilip edilemeyeceğini görmek için şans artar. Küçük bir numune hacmi ayrıca bir laboratuvar cihazının kullanım süresini kısaltır ve ilk testlerin maliyetlerini düşürür.
Ultrason dalgaları, sonotrotun yüzeyi tarafından sıvıya iletilir. Sonotrot yüzeyinin yanı sıra, ultrason yoğunluğu en yoğundur. Bu nedenle, sonotrot ve sonikasyonlu malzeme arasındaki kısa mesafeler tercih edilir. Küçük bir sıvı hacmi açığa çıktığında, sonotrottan olan mesafe kısa tutulabilir.
Aşağıdaki tablo, optimizasyondan sonra sonikasyon işlemleri için tipik enerji / hacim seviyelerini göstermektedir. İlk denemeler optimum konfigürasyonda çalıştırılmayacağından, sonikasyon yoğunluğu ve süresi tipik değerin 10 ila 50 katı kadar sonikasyonlu malzemeye herhangi bir etki olup olmadığını gösterecektir.

Tablo 1 – Proses optimizasyonundan sonra tipik sonikasyon değerleri

Test çalıştırmalarının gerçek güç girişi, entegre veri kaydı (UP200Ht ve UP200St), PC arayüzü veya güç ölçer ile. Kaydedilen genlik ayarı ve sıcaklık verileriyle birlikte, her denemenin sonuçları değerlendirilebilir ve enerji/hacim için bir sonuç belirlenebilir.
Testler sırasında en uygun konfigürasyon seçilmişse, bu konfigürasyon performansı bir optimizasyon adımı sırasında doğrulanabilir ve son olarak ticari seviyeye kadar ölçeklendirilebilir. Optimizasyonu kolaylaştırmak için, belirli formülasyonlar için sıcaklık, genlik veya enerji / hacim gibi sonikasyon sınırlarının incelenmesi şiddetle tavsiye edilir. Ultrason hücreler, kimyasallar veya partiküller üzerinde olumsuz etkiler oluşturabileceğinden, aşağıdaki optimizasyonu olumsuz etkilerin gözlenmediği parametre aralığıyla sınırlamak için her parametre için kritik seviyelerin incelenmesi gerekir. Fizibilite çalışması için, bu tür denemelerde ekipman ve numune masraflarını sınırlamak için küçük laboratuvar veya tezgah üstü üniteler önerilir. Genel olarak, 100 ila 1.000 Watt'lık birimler fizibilite çalışmasının amaçlarına çok iyi hizmet eder. (bkz: hielscher 2005)

optimizasyon

Fizibilite çalışmaları sırasında elde edilen sonuçlar, tedavi edilen küçük hacme göre oldukça yüksek bir enerji tüketimi gösterebilir. Ancak fizibilite testinin amacı öncelikle ultrasonun malzemeye olan etkilerini göstermektir. Fizibilite testinde olumlu etkiler meydana geldiyse, enerji/hacim oranını optimize etmek için daha fazla çaba gösterilmelidir. Bu, işlemi ekonomik olarak en makul ve verimli hale getirmek için mümkün olan daha az enerjiyi kullanarak en yüksek verimi elde etmek için ultrason parametrelerinin ideal konfigürasyonunu keşfetmek anlamına gelir. En uygun parametre yapılandırmasını bulmak için – Minimum enerji girdisi ile amaçlanan faydaların elde edilmesi – en önemli parametreler arasındaki korelasyon genlik, basınç, sıcaklık ve sıvı kompozisyon araştırılmalıdır. Bu ikinci adımda, toplu sonikasyondan akış hücresi reaktörü ile sürekli bir sonikasyon kurulumuna geçiş önerilir, çünkü toplu sonikasyon için önemli basınç parametresi etkilenemez. Bir partide sonikasyon sırasında, basınç ortam basıncı ile sınırlıdır. Sonikasyon işlemi basınçlandırılabilir bir akış hücresi odasını geçerse, basınç yükseltilebilir (veya azaltılabilir) bu da genel olarak ultrasonik etki eder Kavitasyon Büyük ölçü -de. Bir akış hücresi kullanılarak, basınç ve proses verimliliği arasındaki ilişki belirlenebilir. Ultrasonik işlemciler arasında 500 watt ve 2000 Watt güç, bir süreci optimize etmek için en uygun olanlardır.

Ölçeği ticari üretime dönüştürme

Optimum konfigürasyon bulunursa, daha fazla ölçek büyütme ultrasonik işlemler kadar basittir Doğrusal ölçekte tamamen tekrarlanabilir. Bu, aynı işleme parametresi konfigürasyonu altında aynı sıvı formülasyona ultrason uygulandığında, işleme ölçeğinden bağımsız olarak aynı sonucu elde etmek için hacim başına aynı enerjinin gerekli olduğu anlamına gelir. (Hielscher 2005). Bu, ultrasonun optimum parametre konfigürasyonunu tam ölçekli üretim boyutuna uygulamayı mümkün kılar. Neredeyse, ultrasonik olarak işlenebilen hacim sınırsızdır. Ticari ultrasonik sistemler 16.000 watt birim başına mevcuttur ve kümeler halinde kurulabilir. Bu tür ultrasonik işlemci kümeleri paralel veya seri olarak monte edilebilir. Yüksek güçlü ultrasonik işlemcilerin küme bazında kurulumuyla, toplam güç neredeyse sınırsızdır, böylece yüksek hacimli akışlar sorunsuz bir şekilde işlenebilir. Ayrıca, ultrasonik sistemin bir adaptasyonu gerekiyorsa, örneğin parametreleri modifiye edilmiş bir sıvı formülasyona ayarlamak için, bu çoğunlukla sonotrot, güçlendirici veya akış hücresi değiştirilerek yapılabilir. Ultrasonun doğrusal ölçeklenebilirliği, tekrarlanabilirliği ve uyarlanabilirliği, bu yenilikçi teknolojiyi verimli ve uygun maliyetli hale getirir.

Ultrasonik İşleme Parametreleri

Ultrasonik sıvı işleme, bir dizi parametre ile tanımlanır. En önemlileri genlik, basınç, sıcaklık, viskozite ve konsantrasyondur. Belirli bir parametre konfigürasyonu için partikül boyutu gibi proses sonucu, işlenen hacim başına enerjinin bir fonksiyonudur. Fonksiyon, bireysel parametrelerdeki değişikliklerle değişir. Ayrıca, bir ultrasonik ünitenin sonotrotunun yüzey alanı başına gerçek güç çıkışı parametrelere bağlıdır. Sonotrotun yüzey alanı başına güç çıkışı, yüzey yoğunluğudur (I). Yüzey yoğunluğu genliğe (A), basınca (p), reaktör hacmine (VR), sıcaklığa (T), viskoziteye (η) ve diğerlerine bağlıdır.

Ultrasonik işlemenin kavitasyonel etkisi, genlik (A), basınç (p), reaktör hacmi (VR), sıcaklık (T), viskozite (η) ve diğerleri ile tanımlanan yüzey yoğunluğuna bağlıdır. Artı ve eksi işaretleri, spesifik parametrenin sonikasyon yoğunluğu üzerindeki olumlu veya olumsuz etkisini gösterir.

Oluşturulan kavitasyonun etkisi yüzey yoğunluğuna bağlıdır. Aynı şekilde, işlem sonucu da ilişkilidir. Bir ultrasonik ünitenin toplam güç çıkışı, yüzey yoğunluğu (I) ve yüzey alanının (S) ürünüdür:

p [w] ben [w / Mm²]* s[Mm²]

bolluk

Salınım genliği, sonotrot yüzeyinin belirli bir zamanda (örneğin 20kHz'de 1/20.000s) hareket etme şeklini (örneğin 50 μm) tanımlar. Genlik ne kadar büyük olursa, her strokta basıncın düşme ve artma hızı o kadar yüksek olur. Buna ek olarak, her strokun hacim yer değiştirmesi artar ve bu da daha büyük bir kavitasyon hacmi (kabarcık boyutu ve/veya sayısı) ile sonuçlanır. Dispersiyonlara uygulandığında, daha yüksek genlikler katı parçacıklara karşı daha yüksek bir yıkıcılık gösterir. Tablo 1, bazı ultrasonik işlemler için genel değerleri göstermektedir.

Basınç

Bir sıvının kaynama noktası basınca bağlıdır. Basınç ne kadar yüksek olursa, kaynama noktası o kadar yüksek olur ve bunun tersi olur. Yüksek basınç, kaynama noktasına yakın veya üzerindeki sıcaklıklarda kavitasyona izin verir. Aynı zamanda, statik basınç ile baloncuğun içindeki buhar basıncı arasındaki farkla ilgili olan patlamanın yoğunluğunu da arttırır (cf. Vercet ve ark. 1999). Ultrasonik güç ve yoğunluk, basınçtaki değişikliklerle hızlı bir şekilde değiştiğinden, sabit basınçlı bir pompa tercih edilir. Bir akış hücresine sıvı beslerken, pompa uygun basınçlarda belirli sıvı akışını idare edebilmelidir. Diyaframlı veya membranlı pompalar; esnek borulu, hortumlu veya sıkmalı pompalar; peristaltik pompalar; veya pistonlu veya dalgıç pompa, alternatif basınç dalgalanmaları yaratacaktır. Santrifüj pompalar, dişli pompalar, spiral pompalar ve sonikasyona tabi sıvıyı sürekli sabit bir basınçta besleyen aşamalı boşluklu pompalar tercih edilir. (Hielscher 2005)

sıcaklık

Bir sıvıyı sonikleştirerek, güç ortama iletilir. Ultrasonik olarak üretilen salınım türbülanslara ve sürtünmeye neden olduğundan, sonikasyonlu sıvı - termodinamik yasasına uygun olarak – ısınır. İşlenmiş ortamın yüksek sıcaklıkları malzemeye zarar verebilir ve ultrasonik kavitasyonun etkinliğini azaltabilir. Yenilikçi ultrasonik akış hücreleri bir soğutma ceketi ile donatılmıştır (resme bakın). Bununla, ultrasonik işleme sırasında malzemenin sıcaklığı üzerinde tam kontrol verilir. Daha küçük hacimlerin beher sonikasyonu için, ısı dağılımı için bir buz banyosu önerilir.

Viskozite ve Konsantrasyon

Ultrasonik Freze ve dispersiyon sıvı proseslerdir. Partiküllerin bir süspansiyon içinde, örneğin suda, yağda, çözücülerde veya reçinelerde olması gerekir. Ultrasonik akış sistemlerinin kullanılmasıyla, çok viskoz, macun kıvamında malzemeyi sonikleştirmek mümkün hale gelir.
Yüksek güçlü ultrasonik işlemci oldukça yüksek katı konsantrasyonlarında çalıştırılabilir. Ultrasonik frezeleme etkisi parçacıklar arası çarpışmadan kaynaklandığından, yüksek konsantrasyon ultrasonik işlemenin etkinliğini sağlar. Araştırmalar, silikanın kırılma oranının, ağırlıkça P'ye kadar katı konsantrasyonundan bağımsız olduğunu göstermiştir. Yüksek konsantrasyonlu malzeme oranına sahip ana partilerin işlenmesi, ultrasonikasyon kullanan yaygın bir üretim prosedürüdür.

Güç ve Yoğunluk vs. Enerji

Yüzey yoğunluğu ve toplam güç sadece işlem yoğunluğunu tanımlar. Sonikasyonlu numune hacmi ve belirli bir yoğunlukta maruz kalma süresi, ölçeklenebilir ve tekrarlanabilir hale getirmek için bir sonikasyon sürecini tanımlamak için dikkate alınmalıdır. Belirli bir parametre konfigürasyonu için proses sonucu, örneğin partikül boyutu veya kimyasal dönüşüm, hacim başına enerjiye (E/V) bağlı olacaktır.

Sonuç = F (E /V )

Enerjinin (E), güç çıkışının (P) ve maruz kalma süresinin (t) ürünü olduğu durumlarda.

E[Ws] = p[w]*t[s]

Parametre konfigürasyonundaki değişiklikler sonuç fonksiyonunu değiştirecektir. Bu da, belirli bir sonuç değeri elde etmek için belirli bir numune değeri (V) için gereken enerji miktarını (E) değiştirecektir. Bu nedenle bir sonuç almak için ultrasonun belirli bir gücü bir işleme uygulamak yeterli değildir. İhtiyaç duyulan gücü ve gücün proses malzemesine konulması gereken parametre konfigürasyonunu belirlemek için daha sofistike bir yaklaşım gereklidir. (Hielscher 2005)

Ultrasonik Destekli Biyoetanol Üretimi

Ultrasonun biyoetanol üretimini iyileştirdiği zaten bilinmektedir. Sıvının biyokütle ile hala pompalanabilir olan yüksek viskoziteli bir bulamaç haline getirilmesi tavsiye edilir. Ultrasonik reaktörler, sonikasyon işleminin en verimli şekilde çalıştırılabilmesi için oldukça yüksek katı konsantrasyonları işleyebilir. Bulamaçta ne kadar fazla malzeme bulunursa, sonikasyon işleminden kar elde etmeyecek olan daha az taşıyıcı sıvı tedavi edilecektir. Bir sıvıya enerji girişi, termodinamik yasası gereği sıvının ısınmasına neden olduğundan, bu, ultrasonik enerjinin hedef malzemeye mümkün olduğunca uygulandığı anlamına gelir. Böylesine verimli bir proses tasarımı sayesinde, fazla taşıyıcı sıvının savurgan bir şekilde ısıtılması önlenir.
Ultrason yardımcı olur ekstraksiyon hücre içi materyalin ve böylece enzimatik fermantasyon için kullanılabilir hale getirir. Hafif ultrason tedavisi enzimatik aktiviteyi artırabilir, ancak biyokütle ekstraksiyonu için daha yoğun ultrason gerekecektir. Bu nedenle, enzimler, sonikasyondan sonra biyokütle bulamacına eklenmelidir, çünkü yoğun ultrason enzimleri inaktive eder, bu da istenmeyen bir etkidir.

Bilimsel araştırmalarla elde edilen güncel sonuçlar:

Yoswathana ve ark. (2010) pirinç samanından biyoetanol üretimi ile ilgili çalışmalar, enzimatik işlemden önce asit ön işlemi ve ultrasonik kombinasyonunun% 44'e kadar (pirinç samanı bazında) artan şeker verimine yol açtığını göstermiştir. Bu, lignoselüloz malzemesinin şekere enzimatik hidrolizinden önce fiziksel ve kimyasal ön işlem kombinasyonunun etkinliğini göstermektedir.

Çizelge 2, pirinç samanından biyoetanol üretimi sırasında ultrasonik ışınlamanın olumlu etkilerini grafiksel olarak göstermektedir. (Kömür, asit / enzim ön işleminden ve ultrasonik ön işlemden ön işlem görmüş numuneleri detoksifiye etmek için kullanılmıştır.)

Çizelge 2 – Fermantasyon sırasında etanol veriminin ultrasonik olarak arttırılması (Yoswathana ve ark. 2010)

Yakın zamanda yapılan bir başka çalışmada, ultrasonikasyonun β-galaktosidaz enziminin hücre dışı ve hücre içi seviyeleri üzerindeki etkisi incelenmiştir. Sulaiman ve ark. (2011), Kluyveromyces marxianus'un (ATCC 46537) maya büyümesini uyaran kontrollü bir sıcaklıkta ultrason kullanarak biyoetanol üretiminin verimliliğini önemli ölçüde artırabilir. Makalenin yazarları, K. marxianus'ta 11.8Wcm'lik nispeten yüksek bir sonikasyon yoğunluğunda% ≤20 uyarılmış biyokütle üretimi, laktoz metabolizması ve etanol üretimi görev döngülerinde güç ultrasonu (20 kHz) ile aralıklı sonikasyona devam ediyor⁻². En iyi koşullar altında, sonikasyon son etanol konsantrasyonunu kontrole göre yaklaşık 3.5 kat arttırdı. Bu, etanol verimliliğinde 3.5 kat artışa karşılık geldi, ancak sonikasyon yoluyla metreküp et suyu başına 952W ek güç girişi gerektiriyordu. Enerji için bu ek gereksinim kesinlikle biyoreaktörler için kabul edilebilir operasyonel normlar dahilindeydi ve yüksek değerli ürünler için artan üretkenlik ile kolayca telafi edilebilirdi.

Sonuç: Ultrasonik Destekli Fermantasyonun Faydaları

Ultrasonik tedavi, biyoetanol verimini artırmak için verimli ve yenilikçi bir teknik olarak gösterilmiştir. Öncelikle ultrason, mısır, soya fasulyesi, saman, ligno-selülozik malzeme veya bitkisel atık malzemeler gibi biyokütleden hücre içi materyali çıkarmak için kullanılır.

• Biyoetanol veriminde artış
• Disinterasyon / Hücre yıkımı ve hücre içi materyalin salınması
• Geliştirilmiş anaerobik ayrışma
• Hafif sonikasyon ile enzimlerin aktivasyonu
• Yüksek konsantrasyonlu bulamaçlar ile proses verimliliğinin iyileştirilmesi

Basit test, tekrarlanabilir ölçek büyütme ve kolay kurulum (zaten mevcut üretim akışlarında da) ultrasonikleri karlı ve verimli bir teknoloji haline getirir. Ticari işleme için güvenilir endüstriyel ultrasonik işlemciler mevcuttur ve neredeyse sınırsız sıvı hacimlerini sonikleştirmeyi mümkün kılar.