Ферментація за допомогою ультразвуку для виробництва біоетанолу

Ферментація за допомогою ультразвуку може збільшити виробництво біоетанолу, сприяючи розщепленню складних вуглеводів на простіші цукри, роблячи їх більш доступними для перетворення дріжджів на етанол. Одночасно ультразвук також покращує ефективність проникності клітинної стінки дріжджів, дозволяючи швидше вивільнити етанол і збільшити загальне виробництво. Таким чином, ферментація біоетанолу за допомогою ультразвуку призводить до більш високих коефіцієнтів перетворення та підвищення врожайності.

Бродіння

Ферментація може бути аеробним (= окислювальне бродіння) або анаеробним процесом, який використовується для біотехнологічних застосувань для перетворення органічного матеріалу бактеріальними, грибковими або іншими біологічними культурами клітин або за допомогою ферментів. Шляхом бродіння енергія витягується з окислення органічних сполук, наприклад вуглеводів.
Цукор є найбільш поширеним субстратом бродіння, що утворюється в результаті бродіння в таких продуктах, як молочна кислота, лактоза, етанол і водень. Для спиртового бродіння, етанолу – особливо для використання в якості палива, а також для алкогольних напоїв – виробляється шляхом бродіння. Коли певні штами дріжджів, такі як Saccharomyces cerevisiae Метаболізуючи цукор, дріжджові клітини перетворюють вихідну речовину в етанол і вуглекислий газ.

Наведені нижче хімічні рівняння узагальнюють перетворення:

Якщо вихідною речовиною є крохмаль, наприклад, з кукурудзи, спочатку крохмаль повинен перетворитися в цукор. Для біоетанолу, що використовується як паливо, необхідний гідроліз для перетворення крохмалю. Як правило, гідроліз прискорюється кислотною або ферментативною обробкою або їх комбінацією. У нормі бродіння здійснюється при температурі близько 35–40 °C.
Огляд різних процесів бродіння:

Харчування:

• виробництво & збереження
• молочні продукти (молочнокисле бродіння), наприклад, йогурт, пахта, кефір
• молочнокисло ферментовані овочі, наприклад, кімчі, місо, натто, цукемоно, квашена капуста
• розвиток ароматичних речовин, наприклад, соєвого соусу
• розкладання дубильних речовин, наприклад, чаю, какао, кави, тютюну
• алкогольні напої, наприклад, пиво, вино, віскі

Наркотики:

• виробництво лікарських засобів, наприклад, інсуліну, гіалуронової кислоти

Біогаз / Етанол :

• Удосконалення виробництва біогазу / біоетанолу

Різні наукові роботи та тести настільного та пілотного розміру показали, що ультразвук покращує процес ферментації, роблячи більше біомаси доступною для ферментативного бродіння. У наступному розділі будуть детально розглянуті ефекти ультразвуку в рідині.

Ефекти ультразвукової обробки рідиною

За допомогою ультразвуку високої потужності / низької частоти можна генерувати великі амплітуди. Таким чином, ультразвук високої потужності/низької частоти можна використовувати для обробки рідин, таких як змішування, емульгування, диспергування та деагломерація або подрібнення.
При ультразвуковому синтезі рідин з високою інтенсивністю звукові хвилі, які поширюються в рідкі середовища, призводять до чергування циклів високого тиску (стиснення) і низького тиску (розрідження) зі швидкістю в залежності від частоти. Під час циклу низького тиску ультразвукові хвилі високої інтенсивності створюють невеликі вакуумні бульбашки або порожнечі в рідині. Коли бульбашки досягають об'єму, при якому вони більше не можуть поглинати енергію, вони сильно руйнуються під час циклу високого тиску. Це явище називається кавітацією. КавітаціїТобто “утворення, зростання і імплозивне руйнування бульбашок в рідині. Кавітаційний колапс спричиняє інтенсивне місцеве нагрівання (~5000 К), високий тиск (~1000 атм) і величезні швидкості нагрівання та охолодження (>109 К/сек)” та струменями рідини (~400 км/год)». (Суслік, 1998)

Існують різні засоби для створення кавітації, наприклад, за допомогою сопел високого тиску, роторно-статорних змішувачів або ультразвукових процесорів. У всіх цих системах вхідна енергія перетворюється в тертя, турбулентності, хвилі і кавітацію. Частка вхідної енергії, яка перетворюється в кавітацію, залежить від декількох факторів, що описують рух кавітаційно-генеруючого обладнання в рідині. Інтенсивність прискорення є одним з найважливіших факторів, що впливають на ефективне перетворення енергії в кавітацію. Більш високе прискорення створює більшу різницю тиску. Це, в свою чергу, збільшує ймовірність створення вакуумних бульбашок замість створення хвиль, що поширюються по рідині. Таким чином, чим вище прискорення, тим вище частка енергії, яка перетворюється в кавітацію.
У випадку з ультразвуковим перетворювачем амплітуда коливань описує інтенсивність прискорення. Більш високі амплітуди призводять до більш ефективного створення кавітації. Крім інтенсивності, рідина повинна розганятися таким чином, щоб створювати мінімальні втрати в плані турбулентностей, тертя і генерації хвиль. Для цього оптимальним способом є односторонній напрямок руху. Змінюючи інтенсивність і параметри процесу ультразвуку, ультразвук може бути дуже жорстким або дуже м'яким. Це робить ультразвук дуже універсальним інструментом для різних застосувань.

М'які аплікації, що застосовують легку ультразвукову діагностику в легких умовах, включають дегазація, Емульгування, і активація ферментів. Тверді аплікації з ультразвуком високої інтенсивності / високої потужності (в основному при підвищеному тиску) мокрого помелу, деагломерація & зменшення розміру частинок, а також Диспергування. Для багатьох застосувань, таких як Видобуток, розпад або Сонохімія, необхідна інтенсивність ультразвуку залежить від конкретного матеріалу, який потрібно зробити ультразвук. Завдяки різноманітності параметрів, які можуть бути адаптовані до індивідуального процесу, ультразвук дозволяє знайти оптимальну точку для кожного окремого процесу.
Окрім видатного перетворення енергії, ультразвук дає велику перевагу повного контролю над найважливішими параметрами: амплітудою, тиском, температурою, в'язкістю та концентрацією. Це дає можливість регулювати всі ці параметри з метою пошуку ідеальних параметрів обробки для кожного конкретного матеріалу. Це призводить до більш високої ефективності, а також до оптимізації ефективності.

Ультразвук для покращення процесів бродіння, що пояснюється на прикладі виробництва біоетанолу

Біоетанол є продуктом розкладання біомаси або біорозкладної речовини відходів анаеробними або аеробними бактеріями. Вироблений етанол в основному використовується в якості біопалива. Це робить біоетанол відновлюваною та екологічно чистою альтернативою для викопного палива, такого як природний газ.
Для виробництва етанолу з біомаси в якості сировини можуть використовуватися цукор, крохмаль і лігноцелюлозний матеріал. Для промислового обсягу виробництва в даний час переважають цукор і крохмаль, так як вони економічно вигідні.
Як ультразвук покращує індивідуальний процес з конкретною сировиною в заданих умовах, можна випробувати дуже просто за допомогою техніко-економічних випробувань. На першому етапі проводиться ультразвукове прослуховування невеликої кількості сировини суспензією за допомогою ультразвуку Лабораторний прилад покаже, чи впливає УЗД на вихідну сировину.

Техніко-економічне обґрунтування

На першому етапі тестування підходить для введення відносно великої кількості ультразвукової енергії в невеликий об'єм рідини, оскільки таким чином збільшується шанс побачити, чи можна отримати будь-які результати. Невеликий обсяг зразка також скорочує час використання лабораторного пристрою і скорочує витрати на перші тести.
Ультразвукові хвилі передаються поверхнею сонотрода в рідину. Під поверхнею сонотроду інтенсивність ультразвуку найбільш інтенсивна. Тому перевага віддається коротким відстаням між сонотродом і ультразвуковим матеріалом. При впливі невеликого обсягу рідини відстань від сонотроду може бути коротким.
У таблиці нижче показані типові рівні енергії/об'єму для процесів ультразвуку після оптимізації. Оскільки перші випробування не будуть проводитися в оптимальній конфігурації, інтенсивність і час ультразвуку в 10-50 разів перевищують типове значення, покажуть, чи є якийсь ефект від ультразвукового матеріалу чи ні.

Процес	Енергія/ обсяг	Обсяг вибірки	Міць	Час
простий	< 100 Вт/мл	10 мл	50 Вт	< 20 сек
Середнє	Від 100 Вт/мл до 500 Вт/мл	10 мл	50 Вт	Від 20 до 100 сек
Жорсткий	> 500 Вт/мл	10 мл	50 Вт	>100 сек

Таблиця 1 – Типові значення ультразвукового апарату після оптимізації процесу

Фактична споживана потужність під час тестових запусків може бути записана за допомогою вбудованого запису даних (UP200Ht і UP200St), ПК-інтерфейс або за допомогою потужнометра. У поєднанні із записаними даними про налаштування амплітуди та температуру можна оцінити результати кожного випробування та встановити кінцевий підсумок енергії/об'єму.
Якщо під час тестів була обрана оптимальна конфігурація, ця продуктивність може бути перевірена на етапі оптимізації та нарешті масштабована до комерційного рівня. Щоб полегшити оптимізацію, настійно рекомендується вивчити межі ультразвукового випромінювання, наприклад, температуру, амплітуду або енергію/об'єм для конкретних формул. Оскільки ультразвук може спричинити негативний вплив на клітини, хімічні речовини або частинки, критичні рівні для кожного параметра необхідно досліджувати, щоб обмежити наступну оптимізацію діапазоном параметрів, де негативні ефекти не спостерігаються. Для техніко-економічного обґрунтування рекомендується використовувати невеликі лабораторні або настільні установки, щоб обмежити витрати на обладнання та зразки в таких випробуваннях. Як правило, блоки потужністю від 100 до 1,000 Вт дуже добре служать цілям техніко-економічного обґрунтування. (пор. Hielscher 2005)

Оптимізації

Результати, досягнуті в ході техніко-економічного обґрунтування, можуть свідчити про досить високі енерговитрати при малому оброблюваному обсязі. Але мета техніко-економічного обґрунтування полягає в першу чергу в тому, щоб показати вплив ультразвуку на матеріал. Якщо при техніко-економічному обґрунтуванні відбулися позитивні ефекти, необхідно докласти подальших зусиль для оптимізації співвідношення енергія/об'єм. Це означає вивчення ідеальної конфігурації параметрів ультразвуку для досягнення найвищого виходу з використанням мінімально можливої енергії, щоб зробити процес економічно найбільш розумним і ефективним. Щоб знайти оптимальну конфігурацію параметрів – Отримання запланованих переваг при мінімальних витратах енергії – кореляція між найважливішими параметрами амплітуда, тиск, температура і рідина Склад має бути досліджений. На цьому другому етапі рекомендується перейти від періодичного ультразвукового випромінювання до установки безперервного ультразвуку з реактором з проточною камерою, оскільки важливий параметр тиску не може бути порушений для періодичного ультразвуку. Під час ультразвукового дослідження в замісі тиск обмежується тиском навколишнього середовища. Якщо процес ультразвуку проходить через камеру проточної камери, що знаходиться під тиском, тиск може бути підвищений (або знижений), що в цілому впливає на ультразвуковий Кавітації Різко. Використовуючи проточну комірку, можна визначити кореляцію між тиском і ефективністю процесу. Ультразвукові процесори між 500 Вт і 2000 Вт потужності найбільш підходять для оптимізації того чи іншого процесу.

Масштабування до комерційного виробництва

Якщо оптимальна конфігурація була знайдена, то подальше масштабування просте, так як ультразвукові процеси Повністю відтворюється в лінійному масштабі. Це означає, що коли ультразвук застосовується до ідентичної рідкої формули при ідентичній конфігурації параметрів обробки, для отримання ідентичного результату незалежно від масштабу обробки потрібна однакова енергія на об'єм. (Hielscher 2005). Це дає можливість реалізувати оптимальну параметричну конфігурацію ультразвуку в повному обсязі виробництва. Віртуально обсяг, який можна обробити ультразвуковим способом, необмежений. Комерційні ультразвукові системи з до 16 000 Вт за одиницю доступні і можуть встановлюватися в кластерах. Такі кластери ультразвукових процесорів можуть встановлюватися паралельно або послідовно. Завдяки кластерному встановленню потужних ультразвукових процесорів загальна потужність майже необмежена, тому потоки великого обсягу можуть бути оброблені без проблем. Крім того, якщо потрібна адаптація ультразвукової системи, наприклад, для налаштування параметрів до модифікованої рідкої формули, це в основному можна зробити шляхом зміни сонотрода, бустера або проточної комірки. Лінійна масштабованість, відтворюваність та адаптивність ультразвуку роблять цю інноваційну технологію ефективною та економічно вигідною.

Параметри ультразвукової обробки

Ультразвукова обробка рідини описується рядом параметрів. Найважливішими з них є амплітуда, тиск, температура, в'язкість і концентрація. Результат процесу, такий як розмір частинок, для заданої конфігурації параметра є функцією енергії на оброблюваний об'єм. Функція змінюється зі зміною окремих параметрів. Крім того, фактична вихідна потужність на площу поверхні сонотрода ультразвукової установки залежить від параметрів. Вихідна потужність на площу поверхні сонотроду дорівнює поверхневій інтенсивності (I). Інтенсивність поверхні залежить від амплітуди (А), тиску (р), об'єму реактора (ВР), температури (Т), в'язкості (η) та інших.

Вплив генерується кавітації залежить від інтенсивності поверхні. Таким же чином корелює і результат процесу. Сумарна вихідна потужність ультразвукової установки є добутком інтенсивності поверхні (I) і площі поверхні (S):

p [w] я [w / Мм²]* s[Мм²]

Амплітуда

Амплітуда коливань описує шлях (наприклад, 50 мкм) проходження поверхні сонотрода за певний час (наприклад, 1/20 000 с на частоті 20 кГц). Чим більше амплітуда, тим вище швидкість, з якою тиск знижується і збільшується при кожному ударі. Крім того, об'ємне зміщення кожного удару збільшується, що призводить до збільшення об'єму кавітації (розміру та/або кількості бульбашки). При застосуванні до дисперсій більш високі амплітуди виявляють більш високу руйнівну дію на тверді частинки. У таблиці 1 наведені загальні значення для деяких ультразвукових процесів.

тиск

Температура кипіння рідини залежить від тиску. Чим вище тиск, тим вище температура кипіння, і навпаки. Підвищений тиск допускає кавітацію при температурах, близьких до температури кипіння або вище. Це також збільшує інтенсивність імплозії, що пов'язано з різницею між статичним тиском і тиском пари всередині бульбашки (пор. Vercet et al. 1999). Оскільки потужність і інтенсивність ультразвуку швидко змінюється при зміні тиску, краще використовувати насос постійного тиску. При подачі рідини до проточної камери насос повинен бути здатний обробляти питомий потік рідини при відповідному тиску. Мембранні або мембранні насоси; гнучкотрубні, шлангові або вижимні насоси; перистальтичні насоси; Або поршневий або плунжерний насос буде створювати поперемінні коливання тиску. Перевага віддається відцентровим насосам, шестеренчастим насосам, спіральним насосам і прогресивним порожнинним насосам, які подають рідину для ультразвуку під постійно стабільним тиском. (Hielscher 2005)

температура

За допомогою звукового звуку рідини енергія передається в середовище. Оскільки ультразвукові коливання викликають турбулентності і тертя, то ультразвукова рідина – відповідно до закону термодинаміки – буде нагріватися. Підвищені температури оброблюваного середовища можуть бути руйнівними для матеріалу і знижувати ефективність ультразвукової кавітації. Інноваційні ультразвукові проточні осередки оснащені сорочкою охолодження (див. малюнок). Таким чином, дається точний контроль температури матеріалу при ультразвуковій обробці. При ультразвуковому дослідженні мензурки невеликих обсягів рекомендується крижана ванна для розсіювання тепла.

В'язкість і концентрація

Ультразвукові Фрезерні і Диспергування є рідкими процесами. Частинки повинні знаходитися в суспензії, наприклад, у воді, маслі, розчинниках або смолах. Завдяки використанню ультразвукових проточних систем з'являється можливість ультразвукового ефекту дуже в'язкого, пастоподібного матеріалу.
Потужний ультразвуковий процесор може працювати при досить високих концентраціях твердих речовин. Висока концентрація забезпечує ефективність ультразвукової обробки, так як ефект ультразвукового фрезерування обумовлений зіткненням між частинками. Дослідження показали, що швидкість руйнування кремнезему не залежить від концентрації твердої речовини до 50% за масою. Обробка майстер-партій з високим вмістом концентрованого матеріалу є поширеною виробничою процедурою з використанням ультразвуку.

Потужність та інтенсивність проти енергії

Поверхнева інтенсивність і сумарна потужність описують лише інтенсивність обробки. Об'єм ультразвукового зразка та час впливу з певною інтенсивністю необхідно враховувати для опису процесу ультразвуку, щоб зробити його масштабованим та відтворюваним. Для заданої конфігурації параметрів результат процесу, наприклад, розмір частинок або хімічне перетворення, буде залежати від енергії на об'єм (E/V).

Результат = F (E /V )

Де енергія (Е) є добутком вихідної потужності (P) і часу впливу (t).

E[Ш] = p[w]*t[s]

Зміни в конфігурації параметра призведуть до зміни результуючої функції. Це, в свою чергу, буде змінювати кількість енергії (E), необхідної для даного значення вибірки (V) для отримання конкретного значення результату. З цієї причини недостатньо розгорнути певну потужність ультразвуку в процесі, щоб отримати результат. Потрібен більш складний підхід до визначення необхідної потужності та конфігурації параметрів, при яких потужність повинна бути вкладена в технологічний матеріал. (Hielscher 2005)

Виробництво біоетанолу за допомогою ультразвуку

Вже відомо, що ультразвук покращує вироблення біоетанолу. Рекомендується згущувати рідину біомасою до стану високов'язкої кашки, яка все ще піддається перекачуванню. Ультразвукові реактори можуть працювати з досить високими концентраціями твердих речовин, щоб процес ультразвуку міг бути запущений найбільш ефективно. Чим більше матеріалу міститься в суспензії, тим менше буде оброблено базової рідини, яка не отримає користі від процесу ультразвуку. Оскільки вхідна енергія в рідину за законом термодинаміки викликає нагрівання рідини, це означає, що ультразвукова енергія прикладається до цільового матеріалу, наскільки це можливо. Завдяки такій ефективній конструкції процесу можна уникнути марнотратного нагрівання надлишку рідини-носія.
Ультразвук допомагає Видобуток внутрішньоклітинного матеріалу і робить його тим самим доступним для ферментативного бродіння. Легке ультразвукове лікування може посилити ферментативну активність, але для екстракції біомаси буде потрібно більш інтенсивний ультразвук. Отже, ферменти слід додавати до суспензії біомаси після ультразвуку, оскільки інтенсивний ультразвук інактивує ферменти, що не є бажаним ефектом.

Сучасні результати, досягнуті науковими дослідженнями:

Дослідження Yoswathana et al. (2010) щодо виробництва біоетанолу з рисової соломи показали, що поєднання попередньої обробки кислотою та ультразвукової перед ферментативною обробкою призводить до збільшення виходу цукру до 44% (на основі рисової соломи). Це свідчить про ефективність комбінації фізико-хімічної попередньої обробки перед ферментативним гідролізом лігноцелюлозного матеріалу до цукру.

Діаграма 2 графічно ілюструє позитивні ефекти ультразвукового опромінення при виробництві біоетанолу з рисової соломи. (Деревне вугілля використовувалося для детоксикації попередньо оброблених зразків після попередньої обробки кислотами/ферментами та ультразвукової попередньої обробки.)

В іншому недавньому дослідженні було вивчено вплив ультразвуку на позаклітинний і внутрішньоклітинний рівні ферменту β-галактозидази. Sulaiman et al. (2011) можуть значно підвищити продуктивність виробництва біоетанолу, використовуючи ультразвук при контрольованій температурі, що стимулює ріст дріжджів Kluyveromyces marxianus (ATCC 46537). Автори роботи відновлюють, що переривчасте ультразвукове випромінювання з енергетичним ультразвуком (20 кГц) при робочих циклах ≤20% стимулювало виробництво біомаси, метаболізм лактози та виробництво етанолу у K. marxianus при відносно високій інтенсивності ультразвуку 11,8 Вт см⁻². За найкращих умов ультразвук підвищував кінцеву концентрацію етанолу майже в 3,5 рази відносно контролю. Це відповідало 3,5-кратному збільшенню продуктивності етанолу, але вимагало 952 Вт додаткового споживання енергії на кубічний метр бульйону за допомогою ультразвуку. Ця додаткова потреба в енергії, безумовно, перебувала в межах прийнятних експлуатаційних норм для біореакторів, а для високовартісних продуктів могла бути легко компенсована підвищеною продуктивністю.

Висновок: переваги ферментації за допомогою ультразвуку

Ультразвукова обробка продемонструвала свою ефективність та інноваційність у збільшенні виходу біоетанолу. В першу чергу, ультразвук використовується для вилучення внутрішньоклітинного матеріалу з біомаси, такої як кукурудза, соєві боби, солома, лігноцелюлозний матеріал або матеріали рослинних відходів.

• Збільшення виходу біоетанолу
• Дезінтерація / Руйнування клітин і вивільнення внутрішньоклітинного матеріалу
• Покращене анаеробне розкладання
• Активація ферментів шляхом легкого ультразвукового випромінювання
• Підвищення ефективності процесу за рахунок суспензій високої концентрації

Просте тестування, відтворюване масштабування і легка установка (в тому числі і в вже існуючих виробничих потоках) робить ультразвук вигідною і ефективною технологією. Доступні надійні промислові ультразвукові процесори для комерційної обробки, які дають можливість проводити ультразвукове оброблення практично необмежених обсягів рідини.