Ферментація за допомогою ультразвуку для виробництва біоетанолу

Ферментація за допомогою ультразвуку може поліпшити виробництво біоетанолу, сприяючи розщепленню складних вуглеводів на простіші цукри, які стають доступнішими для перетворення дріжджами на етанол. Водночас ультразвукова обробка також поліпшує проникність клітинної стінки дріжджів, забезпечуючи швидше вивільнення етанолу та збільшення загального обсягу виробництва. Отже, ферментація біоетанолу за допомогою ультразвуку забезпечує вищий ступінь перетворення та підвищений вихід.

Ферментація

Ферментація може бути аеробним (= окиснювальна ферментація) або анаеробним процесом, який застосовують у біотехнології для перетворення органічного матеріалу за допомогою культур бактеріальних, грибних чи інших біологічних клітин або ферментів. Під час ферментації енергія вивільняється внаслідок окиснення органічних сполук, наприклад вуглеводів.
Цукор є найпоширенішим субстратом ферментації, у результаті якої утворюються такі продукти, як молочна кислота, лактоза, етанол і водень. Під час спиртового бродіння шляхом ферментації виробляють етанол – передусім для використання як паливо, але також і для алкогольних напоїв. Коли певні штами дріжджів, наприклад Saccharomyces cerevisiae, метаболізують цукор, дріжджові клітини перетворюють вихідний матеріал на етанол і вуглекислий газ.

Наведені нижче хімічні рівняння узагальнюють це перетворення:

Якщо вихідним матеріалом є крохмаль, наприклад із кукурудзи, його спочатку необхідно перетворити на цукор. Для біоетанолу, який використовують як паливо, перетворення крохмалю потребує гідролізу. Зазвичай гідроліз прискорюють кислотною чи ферментативною обробкою або їх поєднанням. Зазвичай ферментацію проводять за температури близько 35–40 °C.
Огляд різних процесів ферментації:

Харчові продукти :

• виробництво & консервування
• молочні продукти (молочнокисле бродіння), наприклад йогурт, маслянка, кефір
• овочі молочнокислого бродіння, наприклад кімчі, місо, натто, цукемоно, квашена капуста
• утворення ароматичних речовин, наприклад у соєвому соусі
• розщеплення дубильних речовин, наприклад у чаї, какао, каві, тютюні
• алкогольні напої, наприклад пиво, вино, віскі

Лікарські засоби :

• виробництво сполук медичного призначення, наприклад інсуліну, гіалуронової кислоти

Біогаз/ Етанол :

• поліпшення виробництва біогазу/ біоетанолу

Різні наукові роботи та випробування на настільному й пілотному обладнанні показали, що ультразвук поліпшує процес ферментації, роблячи більшу кількість біомаси доступною для ферментативного бродіння. У наступному розділі докладно розглянуто вплив ультразвуку на рідину.

Ефекти ультразвукової обробки рідин

За допомогою високопотужного/ низькочастотного ультразвуку можна створювати високі амплітуди. Тому високопотужний/ низькочастотний ультразвук можна використовувати для таких процесів обробки рідин, як змішування, емульгування, диспергування та деагломерація або подрібнення.
Під час ультразвукової обробки рідин за високої інтенсивності звукові хвилі, що поширюються в рідкому середовищі, спричиняють чергування циклів високого тиску (стиснення) і низького тиску (розрідження), темп якого залежить від частоти. Під час циклу низького тиску високоінтенсивні ультразвукові хвилі створюють у рідині невеликі вакуумні бульбашки або порожнини. Коли бульбашки досягають об’єму, за якого вони вже не можуть поглинати енергію, вони різко схлопуються під час циклу високого тиску. Це явище називають кавітацією. Кавітація, тобто “утворення, зростання та імплозивне схлопування бульбашок у рідині. Кавітаційне схлопування спричиняє інтенсивне локальне нагрівання (~5000 K), високий тиск (~1000 atm) і величезні швидкості нагрівання та охолодження (>109 K/sec)” і струмені рідини (~400 km/h)”. (Suslick 1998)

Існують різні способи створення кавітації, зокрема за допомогою форсунок високого тиску, роторно-статорних змішувачів або ультразвукових процесорів. У всіх цих системах підведена енергія перетворюється на тертя, турбулентність, хвилі та кавітацію. Частка підведеної енергії, що перетворюється на кавітацію, залежить від кількох чинників, які описують рух обладнання для створення кавітації в рідині. Величина прискорення є одним із найважливіших чинників, що впливають на ефективність перетворення енергії на кавітацію. Більше прискорення створює більші перепади тиску. Це, своєю чергою, підвищує ймовірність утворення вакуумних бульбашок замість хвиль, що поширюються в рідині. Отже, що більше прискорення, то більша частка енергії перетворюється на кавітацію.
У випадку ультразвукового перетворювача амплітуда коливань характеризує величину прискорення. Більші амплітуди забезпечують ефективніше створення кавітації. Крім величини прискорення, важливо прискорювати рідину так, щоб мінімізувати втрати на турбулентність, тертя та утворення хвиль. Для цього оптимальним є рух в одному напрямку. Змінюючи інтенсивність і параметри процесу ультразвукової обробки, можна зробити вплив ультразвуку дуже жорстким або дуже м’яким. Це робить ультразвук надзвичайно універсальним інструментом для різних застосувань.

До м’яких застосувань, у яких використовують щадну ультразвукову обробку за м’яких умов, належать дегазація, емульгування та активація ферментів. До жорстких застосувань ультразвуку високої інтенсивності/високої потужності (переважно за підвищеного тиску) належать мокре подрібнення, деагломерація і зменшення розміру частинок, а також диспергування. Для багатьох застосувань, як-от екстракція, дезінтеграція або сонохімія, потрібна інтенсивність ультразвуку залежить від конкретного матеріалу, що підлягає ультразвуковій обробці. Завдяки різноманітності параметрів, які можна адаптувати до окремого процесу, ультразвук дає змогу знайти оптимальний режим для кожного конкретного процесу.
Крім виняткової ефективності перетворення потужності, ультразвукова обробка має значну перевагу – повний контроль над найважливішими параметрами: амплітудою, тиском, температурою, в’язкістю та концентрацією. Це дає змогу регулювати всі ці параметри, щоб знайти ідеальні параметри обробки для кожного конкретного матеріалу. У результаті підвищується результативність та оптимізується ефективність.

Ультразвук для вдосконалення процесів ферментації: пояснення на прикладі виробництва біоетанолу

Біоетанол є продуктом розкладання біомаси або біорозкладної речовини відходів анаеробними чи аеробними бактеріями. Вироблений етанол переважно використовують як біопаливо.  Це робить біоетанол відновлюваною та екологічно безпечною альтернативою викопним видам палива, таким як природний газ.
Для виробництва етанолу з біомаси як сировину можна використовувати цукор, крохмаль і лігноцелюлозний матеріал. У промисловому виробництві наразі переважають цукор і крохмаль, оскільки вони економічно вигідні.
Те, як ультразвук поліпшує індивідуальний процес замовника з конкретною сировиною за заданих умов, можна дуже просто перевірити під час випробувань із перевірки здійсненності процесу. На першому етапі ультразвукова обробка невеликої кількості суспензії сировини ультразвуковим лабораторним приладом покаже, чи впливає ультразвук на сировину.

Випробування з перевірки здійсненності процесу

На першому етапі випробувань доцільно вводити відносно велику кількість ультразвукової енергії в невеликий об’єм рідини, оскільки це підвищує ймовірність виявити, чи можна отримати будь-які результати. Невеликий об’єм зразка також скорочує час використання лабораторного пристрою та знижує витрати на перші випробування.
Ультразвукові хвилі передаються від поверхні сонотрода в рідину. Під поверхнею сонотрода інтенсивність ультразвуку є найвищою. Тому перевагу надають малим відстаням між сонотродом і матеріалом, який піддають ультразвуковій обробці. Під час обробки невеликого об’єму рідини відстань від сонотрода можна підтримувати малою.
У таблиці нижче наведено типові значення співвідношення енергії до об’єму для процесів ультразвукової обробки після оптимізації. Оскільки перші випробування проводитимуться за неоптимальної конфігурації, інтенсивність і тривалість ультразвукової обробки, що у 10–50 разів перевищують типове значення, покажуть, чи є будь-який вплив на оброблюваний матеріал.

Процес	Енергія/ Об’єм	Об’єм зразка	Потужність	Час
Простий	< 100Ws/mL	10mL	50W	< 20 sec
Середній	100Ws/mL до 500Ws/mL	10mL	50W	20 до 100 sec
Інтенсивний	> 500Ws/mL	10mL	50W	>100 sec

Таблиця 1 – Типові значення параметрів ультразвукової обробки після оптимізації процесу

Фактичну потужність, що вводиться під час випробувань, можна реєструвати за допомогою вбудованої системи реєстрації даних (UP200Ht і UP200St), інтерфейсу ПК або вимірювача потужності. У поєднанні із зареєстрованими даними про налаштування амплітуди та температуру це дає змогу оцінити результати кожного випробування й визначити базове значення співвідношення енергії до об’єму.
Якщо під час випробувань було обрано оптимальну конфігурацію, її результативність можна перевірити на етапі оптимізації, а потім масштабувати процес до промислового рівня. Для полегшення оптимізації також настійно рекомендується дослідити граничні значення параметрів ультразвукової обробки, наприклад температури, амплітуди або співвідношення енергії до об’єму, для конкретних рецептур. Оскільки ультразвук може негативно впливати на клітини, хімічні речовини або частинки, необхідно дослідити критичні рівні кожного параметра, щоб обмежити подальшу оптимізацію діапазоном параметрів, у якому негативні ефекти не спостерігаються. Для дослідження здійсненності рекомендуються невеликі лабораторні або настільні установки, щоб обмежити витрати на обладнання та зразки під час таких випробувань. Загалом установки потужністю від 100 до 1 000 ват дуже добре відповідають цілям дослідження здійсненності. (див. Hielscher 2005)

Оптимізація

Результати, отримані під час досліджень здійсненності, можуть свідчити про досить високе споживання енергії з огляду на невеликий оброблений об’єм. Однак мета випробування здійсненності полягає насамперед у тому, щоб продемонструвати вплив ультразвуку на матеріал. Якщо під час випробування здійсненності спостерігалися позитивні ефекти, необхідно докласти подальших зусиль для оптимізації співвідношення енергії до об’єму. Це означає дослідити ідеальну конфігурацію параметрів ультразвуку для досягнення найвищого виходу за найменшого можливого споживання енергії, щоб зробити процес найбільш економічно доцільним та ефективним. Щоб знайти оптимальну конфігурацію параметрів – отримати очікувані переваги з мінімальним введенням енергії – необхідно дослідити взаємозв’язок між найважливішими параметрами: амплітудою, тиском, температурою та складом рідини . На цьому другому етапі рекомендується перейти від періодичної ультразвукової обробки до установки безперервної ультразвукової обробки з реактором із проточною коміркою, оскільки за періодичної ультразвукової обробки неможливо впливати на такий важливий параметр, як тиск. Під час періодичної ультразвукової обробки тиск обмежений тиском навколишнього середовища. Якщо ультразвукова обробка відбувається в камері проточної комірки з можливістю регулювання тиску, тиск можна підвищувати (або знижувати), що загалом значною мірою впливає на ультразвукову кавітацію . Використовуючи проточну комірку, можна визначити взаємозв’язок між тиском та ефективністю процесу. Ультразвукові процесори потужністю від 500 ват до 2000 ват найкраще підходять для оптимізації процесу.

Масштабування до промислового виробництва

Якщо оптимальну конфігурацію знайдено, подальше масштабування є простим, оскільки ультразвукові процеси повністю відтворювані за лінійного масштабування. Це означає, що коли ультразвук застосовують до рідини ідентичного складу за ідентичної конфігурації параметрів обробки, для отримання ідентичного результату потрібна однакова енергія на одиницю об’єму незалежно від масштабу обробки. (Hielscher 2005). Це дає змогу застосувати оптимальну конфігурацію параметрів ультразвуку в повномасштабному виробництві. Об’єм, який можна обробити ультразвуком, практично необмежений. Доступні промислові ультразвукові системи потужністю до 16 000 ват на один пристрій, які можна встановлювати кластерами. Такі кластери ультразвукових процесорів можна встановлювати паралельно або послідовно. Завдяки встановленню потужних ультразвукових процесорів кластерами загальна потужність майже необмежена, що дає змогу без проблем обробляти потоки з великою об’ємною витратою. Якщо потрібна адаптація ультразвукової системи, наприклад для налаштування параметрів під змінений склад рідини, у більшості випадків це можна зробити шляхом заміни сонотрода, бустера або проточної комірки. Лінійна масштабованість, відтворюваність і адаптивність ультразвуку роблять цю інноваційну технологію ефективною та економічно вигідною.

Параметри ультразвукової обробки

Ультразвукова обробка рідин описується низкою параметрів. Найважливішими є амплітуда, тиск, температура, в’язкість і концентрація. Результат процесу, наприклад розмір частинок, за заданої конфігурації параметрів є функцією енергії на одиницю обробленого об’єму. Ця функція змінюється зі зміною окремих параметрів. Крім того, фактична вихідна потужність ультразвукового пристрою на одиницю площі поверхні сонотрода залежить від параметрів. Вихідна потужність на одиницю площі поверхні сонотрода є поверхневою інтенсивністю (I). Поверхнева інтенсивність залежить від амплітуди (A), тиску (p), об’єму реактора (VR), температури (T), в’язкості (η) та інших параметрів.

Вплив утвореної кавітації залежить від поверхневої інтенсивності. Так само з нею корелює і результат процесу. Загальна вихідна потужність ультразвукового пристрою є добутком поверхневої інтенсивності (I) та площі поверхні (S):

P [W] I [W / mm²]* S[mm²]

Амплітуда

Амплітуда коливань описує шлях (наприклад, 50 µm), який поверхня сонотрода проходить за заданий час (наприклад, 1/20 000s за 20kHz). Що більша амплітуда, то вища швидкість зниження й підвищення тиску під час кожного ходу. Крім того, об’ємне зміщення під час кожного ходу збільшується, що призводить до збільшення кавітаційного об’єму (розміру та/або кількості бульбашок). Під час обробки дисперсій вищі амплітуди сильніше руйнують тверді частинки. У таблиці 1 наведено загальні значення для деяких ультразвукових процесів.

Тиск

Температура кипіння рідини залежить від тиску. Що вищий тиск, то вища температура кипіння, і навпаки. Підвищений тиск уможливлює кавітацію за температур, близьких до температури кипіння або вищих за неї. Він також підвищує інтенсивність імплозії, яка пов’язана з різницею між статичним тиском і тиском пари всередині бульбашки (пор. Vercet et al. 1999). Оскільки потужність та інтенсивність ультразвуку швидко змінюються зі зміною тиску, перевагу слід віддавати насосу, що підтримує сталий тиск. Під час подавання рідини до проточної комірки насос має забезпечувати потрібний потік рідини за відповідного тиску. Діафрагмові або мембранні насоси; насоси з гнучкою трубкою, шлангові або обтискні насоси; перистальтичні насоси; поршневі або плунжерні насоси створюватимуть періодичні коливання тиску. Перевагу слід віддавати відцентровим, шестеренним, спіральним та ексцентриково-гвинтовим насосам, які подають рідину для ультразвукової обробки за постійно стабільного тиску. (Hielscher 2005)

Температура

Під час ультразвукової обробки рідини в середовище передається потужність. Оскільки коливання, спричинені ультразвуком, викликають турбулентність і тертя, оброблювана рідина – відповідно до закону термодинаміки – нагріватиметься. Підвищені температури оброблюваного середовища можуть руйнувати матеріал і знижувати ефективність ультразвукової кавітації. Інноваційні ультразвукові проточні комірки оснащені охолоджувальною сорочкою (див. зображення). Це забезпечує точний контроль температури матеріалу під час ультразвукової обробки. Для ультразвукової обробки менших об’ємів у лабораторному стакані рекомендовано використовувати крижану баню для відведення тепла.

В’язкість і концентрація

Ультразвукові подрібнення та диспергування є процесами, що відбуваються в рідині. Частинки мають перебувати в суспензії, наприклад у воді, олії, розчинниках або смолах. Використання ультразвукових проточних систем дає змогу обробляти ультразвуком дуже в’язкий, пастоподібний матеріал.
Потужний ультразвуковий процесор може працювати за досить високих концентрацій твердих речовин. Висока концентрація забезпечує ефективність ультразвукової обробки, оскільки ефект ультразвукового подрібнення зумовлений зіткненнями між частинками. Дослідження показали, що швидкість руйнування діоксиду кремнію не залежить від концентрації твердої фази до 50% за масою. Обробка маточних сумішей із високим вмістом матеріалу є поширеною виробничою процедурою із застосуванням ультразвуку.

Потужність та інтенсивність у порівнянні з енергією

Поверхнева інтенсивність і загальна потужність описують лише інтенсивність обробки. Щоб описати процес ультразвукової обробки та забезпечити можливість його масштабування й відтворення, необхідно враховувати об’єм оброблюваної проби та час впливу за певної інтенсивності. За заданої конфігурації параметрів результат процесу, наприклад розмір частинок або хімічне перетворення, залежатиме від енергії на одиницю об’єму (E/V).

Результат = f (E /V )

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

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

Зміни конфігурації параметрів змінюють функцію результату. Це, своєю чергою, змінює кількість енергії (E), необхідну для заданого значення проби (V), щоб отримати певне значення результату. Тому для отримання результату недостатньо застосувати в процесі ультразвук певної потужності. Потрібен складніший підхід, щоб визначити необхідну потужність і конфігурацію параметрів, за якої цю потужність слід передавати в оброблюваний матеріал. (Hielscher 2005)

Виробництво біоетанолу за допомогою ультразвуку

Уже відомо, що ультразвук поліпшує виробництво біоетанолу. Рекомендується загущувати рідину біомасою до стану високов’язкої суспензії, яка все ще придатна для перекачування насосом. Ультразвукові реактори можуть працювати з досить високими концентраціями твердих речовин, що дає змогу проводити ультразвукову обробку з максимальною ефективністю. Що більше матеріалу міститься в суспензії, то менше обробляється рідини-носія, для якої ультразвукова обробка не дає користі. Оскільки за законом термодинаміки введення енергії в рідину спричиняє її нагрівання, це означає, що ультразвукова енергія максимальною мірою спрямовується на цільовий матеріал. Така ефективна організація процесу дає змогу уникнути марнотратного нагрівання надлишкової рідини-носія.
Ультразвук сприяє екстракції внутрішньоклітинного матеріалу й завдяки цьому робить його доступним для ферментативного бродіння. М’яка ультразвукова обробка може підвищувати активність ферментів, проте для екстракції біомаси потрібен інтенсивніший ультразвук. Тому ферменти слід додавати до суспензії біомаси після ультразвукової обробки, оскільки інтенсивний ультразвук інактивує ферменти, що є небажаним ефектом.

Поточні результати наукових досліджень:

Дослідження Yoswathana та ін. (2010), присвячені виробництву біоетанолу з рисової соломи, показали, що поєднання попередньої кислотної та ультразвукової обробки перед ферментативною обробкою приводить до підвищеного виходу цукру до 44% (у розрахунку на рисову солому). Це свідчить про ефективність поєднання фізичної та хімічної попередньої обробки перед ферментативним гідролізом лігноцелюлозного матеріалу до цукру. 

Діаграма 2 графічно ілюструє позитивний вплив ультразвукового опромінення під час виробництва біоетанолу з рисової соломи. (Деревне вугілля використовували для детоксикації зразків після попередньої кислотної/ферментативної та ультразвукової обробки.)

В іншому нещодавньому дослідженні вивчали вплив ультразвукової обробки на позаклітинний і внутрішньоклітинний рівні ферменту β-галактозидази. Sulaiman та ін. (2011) змогли суттєво підвищити продуктивність виробництва біоетанолу, використовуючи ультразвук за контрольованої температури для стимулювання росту дріжджів Kluyveromyces marxianus (ATCC 46537). Автори статті підсумовують, що переривчаста обробка потужним ультразвуком (20 kHz) за коефіцієнтів заповнення робочого циклу ≤20% стимулювала утворення біомаси, метаболізм лактози та виробництво етанолу в K. marxianus за відносно високої інтенсивності ультразвукової обробки 11,8Wcm². За найкращих умов ультразвукова обробка підвищувала кінцеву концентрацію етанолу майже в 3,5 раза порівняно з контролем. Це відповідало підвищенню продуктивності виробництва етанолу в 3,5 раза, але потребувало додаткового введення потужності 952W на кубічний метр культуральної рідини шляхом ультразвукової обробки. Ця додаткова потреба в енергії безумовно перебувала в межах прийнятних експлуатаційних норм для біореакторів, а для продуктів високої вартості могла легко компенсуватися підвищеною продуктивністю.

Висновок: переваги бродіння за сприяння ультразвуку

Ультразвукова обробка зарекомендувала себе як ефективний та інноваційний метод підвищення виходу біоетанолу. Ультразвук насамперед використовують для екстракції внутрішньоклітинного матеріалу з біомаси, зокрема кукурудзи, соєвих бобів, соломи, лігноцелюлозного матеріалу або рослинних відходів.

• Підвищення виходу біоетанолу
• Дезінтеграція/руйнування клітин і вивільнення внутрішньоклітинного матеріалу
• Поліпшення анаеробного розкладання
• Активація ферментів за допомогою м’якої ультразвукової обробки
• Підвищення ефективності процесу завдяки суспензіям високої концентрації

Простота випробувань, відтворюване масштабування та легкість встановлення (також у вже наявних виробничих потоках) роблять ультразвукову обробку прибутковою й ефективною технологією. Доступні надійні промислові ультразвукові процесори для комерційної обробки, які дають змогу обробляти ультразвуком практично необмежені об’єми рідини.