Bioetanol ishlab chiqarish uchun ultratovush yordamidagi fermentatsiya

Ultratovush yordamidagi fermentatsiya murakkab uglevodlarning oddiyroq shakarlarga parchalanishini ragʻbatlantirib, ularni achitqilar etanolga aylantirishi uchun osonroq oʻzlashtiriladigan holga keltirish orqali bioetanol ishlab chiqarishni yaxshilashi mumkin. Shu bilan birga, ultratovush bilan ishlov berish achitqi hujayra devorining oʻtkazuvchanlik samaradorligini ham yaxshilab, etanolning tezroq ajralib chiqishiga va umumiy ishlab chiqarish hajmining oshishiga imkon beradi. Shu tariqa, ultratovush yordamidagi bioetanol fermentatsiyasi yuqoriroq konversiya darajalari va mahsulot chiqimining ortishiga olib keladi.

Fermentatsiya

Fermentatsiya aerob (= oksidlovchi fermentatsiya) yoki anaerob jarayon boʻlishi mumkin; u biotexnologik qoʻllanilishlarda bakterial, zamburugʻli yoki boshqa biologik hujayra kulturalari yoxud fermentlar yordamida organik materialni oʻzgartirish uchun ishlatiladi. Fermentatsiya orqali organik birikmalarning, masalan, uglevodlarning oksidlanishidan energiya olinadi.
Shakar fermentatsiyaning eng keng tarqalgan substrati boʻlib, fermentatsiyadan keyin sut kislotasi, laktoza, etanol va vodorod kabi mahsulotlar hosil boʻladi. Spirtli fermentatsiyada etanol – ayniqsa yoqilgʻi sifatida, shuningdek, spirtli ichimliklar uchun – fermentatsiya orqali ishlab chiqariladi. Ayrim achitqi shtammlari, masalan, Saccharomyces cerevisiae, shakarni metabolizmga jalb qilganda, achitqi hujayralari boshlangʻich materialni etanol va karbonat angidridga aylantiradi.

Quyidagi kimyoviy tenglamalar ushbu oʻzgarishni umumlashtiradi:

Agar boshlangʻich material kraxmal, masalan, makkajoʻxori kraxmali boʻlsa, avval kraxmal shakarga aylantirilishi kerak. Yoqilgʻi sifatida ishlatiladigan bioetanol uchun kraxmalni aylantirishda gidroliz zarur. Odatda, gidroliz kislota yoki ferment bilan ishlov berish yoxud ikkalasini birgalikda qoʻllash orqali tezlashtiriladi. Odatda, fermentatsiya taxminan 35–40 °C da amalga oshiriladi.
Turli fermentatsiya jarayonlariga umumiy nazar:

Oziq-ovqat :

• ishlab chiqarish & konservatsiyalash
• sut mahsulotlari (sut kislotali fermentatsiya), masalan, yogurt, sariyogʻ olishdan qolgan sut suyuqligi, kefir
• sut kislotali fermentatsiyadan oʻtkazilgan sabzavotlar, masalan, kimchi, miso, natto, tsukemono, tuzlangan karam
• xushboʻy moddalarni hosil qilish, masalan, soya sousi
• oshlovchi moddalarni parchalash, masalan, choy, kakao, qahva, tamaki
• spirtli ichimliklar, masalan, pivo, vino, viski

Dori vositalari :

• tibbiy birikmalarni ishlab chiqarish, masalan, insulin, gialuron kislotasi

Biogaz/ Etanol :

• biogaz/ bioetanol ishlab chiqarishni yaxshilash

Turli ilmiy maqolalar hamda stol usti va tajriba-sanoat miqyosidagi sinovlar ultratovush koʻproq biomassani fermentativ fermentatsiya uchun oʻzlashtirishga imkon berib, fermentatsiya jarayonini yaxshilashini koʻrsatdi. Keyingi boʻlimda ultratovushning suyuqlikdagi taʼsirlari batafsil bayon qilinadi.

Suyuqliklarga ultratovush bilan ishlov berishning taʼsirlari

Yuqori quvvatli/ past chastotali ultratovush yordamida yuqori amplitudalarni hosil qilish mumkin. Shu sababli yuqori quvvatli/ past chastotali ultratovushdan suyuqliklarni aralashtirish, emulsiyalash, dispersiyalash va deaglomeratsiyalash yoki maydalash kabi ishlov berish jarayonlarida foydalanish mumkin.
Suyuqliklarga yuqori intensivlikda ultratovush bilan ishlov berilganda, suyuq muhitda tarqaladigan tovush toʻlqinlari chastotaga bogʻliq tezlikda navbatma-navbat yuqori bosimli (siqilish) va past bosimli (siyraklashish) sikllarni yuzaga keltiradi. Past bosimli sikl davomida yuqori intensivlikdagi ultratovush toʻlqinlari suyuqlikda kichik vakuum pufakchalari yoki boʻshliqlar hosil qiladi. Pufakchalar boshqa energiya yuta olmaydigan hajmga yetganda, yuqori bosimli sikl davomida keskin ichkariga qulaydi. Bu hodisa kavitatsiya deb ataladi. Kavitatsiya, yaʼni «suyuqlikda pufakchalarning hosil boʻlishi, oʻsishi va ichkariga portlab qulashi. Kavitatsion qulash kuchli mahalliy qizishni (~5000 K), yuqori bosimlarni (~1000 atm) va nihoyatda katta qizish va sovish tezliklarini (>109 K/sec)» hamda suyuqlikning oqim otilmalarini (~400 km/h) hosil qiladi». (Suslick 1998)

Kavitatsiyani hosil qilishning turli usullari mavjud, masalan, yuqori bosimli soplolar, rotor-stator aralashtirgichlar yoki ultratovushli protsessorlar yordamida. Bu tizimlarning barchasida kiritilgan energiya ishqalanish, turbulentlik, toʻlqinlar va kavitatsiyaga aylanadi. Kiritilgan energiyaning kavitatsiyaga aylanadigan ulushi suyuqlikda kavitatsiya hosil qiluvchi uskunaning harakatini tavsiflaydigan bir nechta omilga bogʻliq. Tezlanish intensivligi energiyaning kavitatsiyaga samarali aylanishiga taʼsir qiluvchi eng muhim omillardan biridir. Yuqoriroq tezlanish kattaroq bosim farqlarini hosil qiladi. Bu esa, oʻz navbatida, suyuqlikda tarqaladigan toʻlqinlar hosil boʻlishi oʻrniga vakuum pufakchalari hosil boʻlish ehtimolini oshiradi. Shunday qilib, tezlanish qanchalik yuqori boʻlsa, energiyaning kavitatsiyaga aylanadigan ulushi shunchalik katta boʻladi.
Ultratovushli oʻzgartirgichda tebranish amplitudasi tezlanish intensivligini tavsiflaydi. Yuqoriroq amplitudalar kavitatsiyaning samaraliroq hosil boʻlishiga olib keladi. Intensivlikdan tashqari, suyuqlik turbulentlik, ishqalanish va toʻlqin hosil boʻlishi tufayli yuzaga keladigan yoʻqotishlarni eng kam darajaga keltiradigan tarzda tezlashtirilishi kerak. Buning uchun eng maqbul usul bir yoʻnalishdagi harakatdir. Ultratovush bilan ishlov berish jarayonining intensivligi va parametrlarini oʻzgartirish orqali ultratovush taʼsiri juda kuchli yoki juda yumshoq boʻlishi mumkin. Bu ultratovushni turli qoʻllanilishlar uchun juda koʻp qirrali vositaga aylantiradi.

Yumshoq sharoitlarda yumshoq ultratovush bilan ishlov berishni qoʻllaydigan yumshoq taʼsirli jarayonlarga gazsizlantirish, emulsiyalash va fermentlarni faollashtirish kiradi. Yuqori intensivlikdagi/ yuqori quvvatli ultratovush bilan (asosan yuqori bosim ostida) bajariladigan kuchli taʼsirli jarayonlarga hoʻl maydalash, deaglomeratsiyalash & zarrachalar oʻlchamini kichraytirish hamda dispersiyalash kiradi. Koʻplab qoʻllanilishlarda, masalan, ekstraksiya, parchalash yoki sonokimyo uchun talab qilinadigan ultratovush intensivligi ultratovush bilan ishlov beriladigan muayyan materialga bogʻliq. Alohida jarayonga moslashtirilishi mumkin boʻlgan turli parametrlar tufayli ultratovush har bir jarayon uchun eng maqbul sharoitni topishga imkon beradi.
Quvvatni oʻzgartirishning ajoyib samaradorligidan tashqari, ultratovush bilan ishlov berish eng muhim parametrlarni toʻliq nazorat qilishning katta afzalligini taqdim etadi: amplituda, bosim, harorat, qovushoqlik va konsentratsiya. Bu har bir muayyan material uchun ideal ishlov berish parametrlarini topish maqsadida ushbu parametrlarning barchasini sozlash imkonini beradi. Natijada yuqoriroq natijadorlik va optimallashtirilgan samaradorlikka erishiladi.

Fermentatsiya jarayonlarini yaxshilash uchun ultratovush – bioetanol ishlab chiqarish misolida tushuntirish

Bioetanol biomassaning yoki chiqindilarning biologik parchalanadigan moddalarining anaerob yoki aerob bakteriyalar tomonidan parchalanishi mahsulotidir. Ishlab chiqarilgan etanol asosan bioyoqilgʻi sifatida ishlatiladi.  Bu bioetanolni tabiiy gaz kabi qazilma yoqilgʻilarga qayta tiklanuvchi va ekologik toza muqobilga aylantiradi.
Biomassadan etanol ishlab chiqarish uchun shakar, kraxmal va lignotsellyulozali material xomashyo sifatida ishlatilishi mumkin. Sanoat miqyosidagi ishlab chiqarishda hozirda shakar va kraxmal ustunlik qiladi, chunki ular iqtisodiy jihatdan qulaydir.
Berilgan sharoitlarda muayyan xomashyo bilan ishlaydigan mijozga xos jarayonni ultratovush qanday yaxshilashini amalga oshirish imkoniyatini baholash sinovlari orqali juda oson tekshirish mumkin. Birinchi bosqichda xomashyo suspenziyasining oz miqdoriga ultratovushli laboratoriya qurilmasi bilan ishlov berish ultratovush xomashyoga taʼsir qiladimi yoki yoʻqligini koʻrsatadi.

Amalga oshirish imkoniyatini baholash sinovlari

Sinovning birinchi bosqichida kichik hajmdagi suyuqlikka nisbatan katta miqdorda ultratovush energiyasini kiritish maqsadga muvofiqdir, chunki bu biror natija olish mumkinligini koʻrish ehtimolini oshiradi. Namunaning kichik hajmi laboratoriya qurilmasidan foydalanish vaqtini ham qisqartiradi va dastlabki sinovlar xarajatlarini kamaytiradi.
Ultratovush toʻlqinlari sonotrod yuzasidan suyuqlikka uzatiladi. Sonotrod yuzasi ostida ultratovush intensivligi eng yuqori boʻladi. Shu sababli sonotrod bilan ultratovush bilan ishlov beriladigan material orasidagi masofaning qisqa boʻlishi afzal. Kichik hajmdagi suyuqlikka ishlov berilganda, sonotroddan masofani qisqa saqlash mumkin.
Quyidagi jadvalda optimallashtirishdan keyingi ultratovush bilan ishlov berish jarayonlari uchun odatiy energiya/hajm darajalari koʻrsatilgan. Dastlabki sinovlar eng maqbul konfiguratsiyada oʻtkazilmasligi sababli ultratovush bilan ishlov berish intensivligi va vaqtining odatiy qiymatdan 10–50 baravar boʻlishi ishlov berilayotgan materialga biror taʼsir bor yoki yoʻqligini koʻrsatadi.

Jarayon	Energiya/ Hajm	Namuna hajmi	Quvvat	Vaqt
Oddiy	< 100Ws/mL	10mL	50W	< 20 sec
Oʻrtacha	100Ws/mL dan 500Ws/mL gacha	10mL	50W	20–100 sec
Kuchli	> 500Ws/mL	10mL	50W	>100 sec

1-jadval – Jarayon optimallashtirilgandan keyingi ultratovush bilan ishlov berishning odatiy qiymatlari

Sinovlarning haqiqiy kiritilgan quvvatini oʻrnatilgan maʼlumotlarni qayd etish tizimi (UP200Ht va UP200St), kompyuter interfeysi yoki quvvat oʻlchagich yordamida qayd etish mumkin. Amplituda sozlamasi va haroratning qayd etilgan maʼlumotlari bilan birgalikda har bir sinov natijalari baholanishi va energiya/hajm uchun asosiy koʻrsatkich belgilanishi mumkin.
Agar sinovlar davomida eng maqbul konfiguratsiya tanlangan boʻlsa, ushbu konfiguratsiyaning ishlashi optimallashtirish bosqichida tekshirilishi va yakunda tijorat darajasiga kengaytirilishi mumkin. Optimallashtirishni osonlashtirish uchun muayyan formulatsiyalar uchun ultratovush bilan ishlov berish chegaralarini, masalan, harorat, amplituda yoki energiya/hajmni ham tekshirish qatʼiy tavsiya etiladi. Ultratovush hujayralar, kimyoviy moddalar yoki zarrachalarga salbiy taʼsir koʻrsatishi mumkinligi sababli, keyingi optimallashtirishni salbiy taʼsirlar kuzatilmaydigan parametrlar oraligʻi bilan cheklash uchun har bir parametrning kritik darajalarini tekshirish zarur. Amalga oshirish imkoniyatini baholash uchun bunday sinovlarda uskuna va namunalar xarajatlarini cheklash maqsadida kichik laboratoriya yoki stol usti qurilmalari tavsiya etiladi. Odatda, 100–1 000 vattli qurilmalar amalga oshirish imkoniyatini baholash maqsadlariga juda yaxshi xizmat qiladi. (qarang: Hielscher 2005)

Optimallashtirish

Amalga oshirish imkoniyatini baholash tadqiqotlarida olingan natijalar ishlov berilgan kichik hajmga nisbatan ancha yuqori energiya sarfini koʻrsatishi mumkin. Biroq amalga oshirish imkoniyatini baholash sinovining asosiy maqsadi ultratovushning materialga taʼsirini koʻrsatishdir. Agar ushbu sinovlarda ijobiy taʼsirlar kuzatilgan boʻlsa, energiya/hajm nisbatini optimallashtirish uchun qoʻshimcha ishlar bajarilishi kerak. Bu jarayonni iqtisodiy jihatdan eng maqbul va samarali qilish uchun imkon qadar eng kam energiya sarflab, eng yuqori mahsulot chiqimiga erishishga imkon beradigan ultratovush parametrlarining ideal konfiguratsiyasini oʻrganishni anglatadi. Eng maqbul parametrlar konfiguratsiyasini topish – eng kam energiya kiritish bilan koʻzlangan foydalarga erishish – uchun eng muhim parametrlar: amplituda, bosim, harorat va suyuqlik tarkibi oʻrtasidagi bogʻliqlikni oʻrganish kerak. Ushbu ikkinchi bosqichda davriy ultratovush bilan ishlov berishdan oqim hujayrasi reaktori bilan uzluksiz ultratovush bilan ishlov berish tizimiga oʻtish tavsiya etiladi, chunki muhim parametr boʻlgan bosimga davriy ishlov berishda taʼsir qilib boʻlmaydi. Davriy ultratovush bilan ishlov berishda bosim atrof-muhit bosimi bilan cheklanadi. Agar ultratovush bilan ishlov berish jarayoni bosim ostida ishlay oladigan oqim hujayrasi kamerasidan oʻtsa, bosimni oshirish (yoki pasaytirish) mumkin, bu esa, odatda, ultratovushli kavitatsiyaga keskin taʼsir qiladi. Oqim hujayrasidan foydalanish orqali bosim va jarayon samaradorligi oʻrtasidagi bogʻliqlikni aniqlash mumkin. Quvvati 500 vatt va 2000 vatt oraligʻidagi ultratovushli protsessorlar jarayonni optimallashtirish uchun eng mos keladi.

Tijorat ishlab chiqarishigacha miqyosni oshirish

Agar eng maqbul konfiguratsiya topilgan boʻlsa, keyingi miqyosni oshirish oddiy boʻladi, chunki ultratovushli jarayonlar chiziqli miqyosda toʻliq takrorlanadi. Bu shuni anglatadiki, ultratovush bir xil suyuqlik formulatsiyasiga bir xil ishlov berish parametrlari konfiguratsiyasida qoʻllanganda, ishlov berish miqyosidan qatʼi nazar, bir xil natija olish uchun hajm birligiga bir xil energiya talab etiladi. (Hielscher 2005). Bu ultratovush parametrlarining eng maqbul konfiguratsiyasini toʻliq ishlab chiqarish miqyosida qoʻllash imkonini beradi. Amalda ultratovush bilan ishlov berilishi mumkin boʻlgan hajm cheklanmagan. Har bir qurilmasining quvvati 16 000 vatt gacha boʻlgan tijorat ultratovush tizimlari mavjud va ularni klasterlarda oʻrnatish mumkin. Ultratovushli protsessorlarning bunday klasterlari parallel yoki ketma-ket oʻrnatilishi mumkin. Yuqori quvvatli ultratovushli protsessorlarni klaster tarzida oʻrnatish orqali umumiy quvvat deyarli cheklanmaydi, shuning uchun katta hajmli oqimlarga muammosiz ishlov berish mumkin. Shuningdek, ultratovush tizimini moslashtirish, masalan, parametrlarni oʻzgartirilgan suyuqlik formulatsiyasiga moslash zarur boʻlsa, buni koʻpincha sonotrod, amplituda kuchaytirgichi yoki oqim hujayrasini almashtirish orqali bajarish mumkin. Ultratovushning chiziqli miqyoslanishi, takrorlanuvchanligi va moslashuvchanligi ushbu innovatsion texnologiyani samarali va iqtisodiy tejamkor qiladi.

Ultratovush bilan ishlov berish parametrlari

Suyuqliklarga ultratovush bilan ishlov berish bir qator parametrlar bilan tavsiflanadi. Eng muhimlari amplituda, bosim, harorat, qovushoqlik va konsentratsiyadir. Berilgan parametrlar konfiguratsiyasida jarayon natijasi, masalan, zarrachalar oʻlchami, ishlov berilgan hajm birligiga toʻgʻri keladigan energiyaning funksiyasidir. Alohida parametrlar oʻzgarganda funksiya ham oʻzgaradi. Bundan tashqari, ultratovush qurilmasi sonotrodining yuza birligiga toʻgʻri keladigan haqiqiy chiqish quvvati parametrlarga bogʻliq. Sonotrodning yuza birligiga toʻgʻri keladigan chiqish quvvati sirt intensivligi (I) hisoblanadi. Sirt intensivligi amplituda (A), bosim (p), reaktor hajmi (VR), harorat (T), qovushoqlik (η) va boshqa omillarga bogʻliq.

Hosil qilingan kavitatsiyaning taʼsiri sirt intensivligiga bogʻliq. Jarayon natijasi ham shu tarzda bogʻliq boʻladi. Ultratovush qurilmasining umumiy chiqish quvvati sirt intensivligi (I) va sirt yuzasi (S) koʻpaytmasidir:

P [W] I [W / mm²]* S[mm²]

Amplituda

Tebranish amplitudasi sonotrod yuzasining berilgan vaqt ichida (masalan, 20kHz da 1/20 000s) bosib oʻtadigan yoʻlini (masalan, 50 µm) tavsiflaydi. Amplituda qanchalik katta boʻlsa, har bir tebranish harakatida bosimning pasayish va oshish tezligi shunchalik yuqori boʻladi. Bundan tashqari, har bir harakatdagi hajmiy siljish ortib, kattaroq kavitatsiya hajmiga (pufakchalar oʻlchami va/yoki soniga) olib keladi. Dispersiyalarga qoʻllanganda, yuqoriroq amplitudalar qattiq zarrachalarni kuchliroq parchalaydi. 1-jadvalda ayrim ultratovushli jarayonlar uchun umumiy qiymatlar koʻrsatilgan.

Bosim

Suyuqlikning qaynash nuqtasi bosimga bogʻliq. Bosim qanchalik yuqori boʻlsa, qaynash nuqtasi shunchalik yuqori boʻladi va aksincha. Yuqori bosim qaynash nuqtasiga yaqin yoki undan yuqori haroratlarda kavitatsiyaga imkon beradi. U imploziya intensivligini ham oshiradi; bu intensivlik statik bosim va pufakcha ichidagi bugʻ bosimi oʻrtasidagi farqqa bogʻliq (qarang: Vercet et al. 1999). Bosim oʻzgarishi bilan ultratovush quvvati va intensivligi tez oʻzgarishi sababli doimiy bosimli nasos afzal hisoblanadi. Oqim hujayrasiga suyuqlik yetkazib berilganda, nasos tegishli bosimlarda muayyan suyuqlik oqimini taʼminlay olishi kerak. Diafragmali yoki membranali nasoslar; egiluvchan quvurli, shlangli yoki siquvchi nasoslar; peristaltik nasoslar; yoki porshenli yoxud plunjerli nasos navbatma-navbat bosim tebranishlarini hosil qiladi. Ultratovush bilan ishlov beriladigan suyuqlikni uzluksiz barqaror bosimda yetkazib beradigan markazdan qochma nasoslar, tishli nasoslar, spiral nasoslar va ekssentrik vintli nasoslar afzal hisoblanadi. (Hielscher 2005)

Harorat

Suyuqlikka ultratovush bilan ishlov berilganda, quvvat muhitga uzatiladi. Ultratovush hosil qilgan tebranish turbulentlik va ishqalanishga sabab boʻlgani uchun ultratovush bilan ishlov berilgan suyuqlik – termodinamika qonuniga muvofiq – qiziydi. Ishlov berilayotgan muhitning yuqori harorati materialni buzishi va ultratovushli kavitatsiya samaradorligini kamaytirishi mumkin. Innovatsion ultratovushli oqim hujayralari sovitish gʻilofi bilan jihozlangan (rasmga qarang). Bu ultratovush bilan ishlov berish davomida material haroratini aniq nazorat qilish imkonini beradi. Kichik hajmlarga laboratoriya stakanida ultratovush bilan ishlov berish uchun issiqlikni chiqarib yuboradigan muzli vanna tavsiya etiladi.

Qovushoqlik va konsentratsiya

Ultratovushli maydalash va dispersiyalash suyuqlikda kechadigan jarayonlardir. Zarrachalar suspenziyada, masalan, suv, moy, erituvchilar yoki qatronlarda boʻlishi kerak. Ultratovushli oqimli tizimlardan foydalanish orqali juda qovushoq, pastasimon materialga ultratovush bilan ishlov berish mumkin boʻladi.
Yuqori quvvatli ultratovushli protsessor qattiq moddalarning ancha yuqori konsentratsiyalarida ishlatilishi mumkin. Yuqori konsentratsiya ultratovush bilan ishlov berishning natijadorligini taʼminlaydi, chunki ultratovushli maydalash taʼsiri zarrachalar oʻrtasidagi toʻqnashuvlar tufayli yuzaga keladi. Tadqiqotlar kremniy dioksidining parchalanish tezligi qattiq moddaning massa boʻyicha 50% gacha boʻlgan konsentratsiyasiga bogʻliq emasligini koʻrsatdi. Material ulushi yuqori darajada konsentrlangan asosiy aralashmalarga ultratovush bilan ishlov berish keng tarqalgan ishlab chiqarish usulidir.

Quvvat va intensivlikning energiyaga nisbati

Sirt intensivligi va umumiy quvvat faqat ishlov berish intensivligini tavsiflaydi. Ultratovush bilan ishlov berish jarayonini miqyoslanadigan va takrorlanadigan tarzda tavsiflash uchun ishlov beriladigan namuna hajmi va muayyan intensivlikdagi taʼsir davomiyligi hisobga olinishi kerak. Berilgan parametrlar konfiguratsiyasida jarayon natijasi, masalan, zarrachalar oʻlchami yoki kimyoviy konversiya, hajm birligiga toʻgʻri keladigan energiyaga (E/V) bogʻliq boʻladi.

Natija = f (E /V )

Bunda energiya (E) chiqish quvvati (P) va taʼsir davomiyligining (t) koʻpaytmasidir.

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

Parametrlar konfiguratsiyasidagi oʻzgarishlar natija funksiyasini oʻzgartiradi. Bu esa, oʻz navbatida, muayyan natija qiymatini olish uchun berilgan namuna qiymatiga (V) talab qilinadigan energiya (E) miqdorini oʻzgartiradi. Shu sababli natija olish uchun jarayonga ultratovushning muayyan quvvatini qoʻllashning oʻzi yetarli emas. Talab qilinadigan quvvatni va ushbu quvvat jarayon materialiga kiritilishi kerak boʻlgan parametrlar konfiguratsiyasini aniqlash uchun yanada puxta yondashuv talab etiladi. (Hielscher 2005)

Ultratovush yordamida bioetanol ishlab chiqarish

Ultratovush bioetanol ishlab chiqarishni yaxshilashi allaqachon maʼlum. Suyuqlikni biomassa bilan quyuqlashtirib, nasos bilan uzatish mumkin boʻlgan juda qovushoq suspenziyaga aylantirish tavsiya etiladi. Ultratovushli reaktorlar qattiq moddalarning ancha yuqori konsentratsiyalari bilan ishlay oladi, shu sababli ultratovush bilan ishlov berish jarayoni eng samarali tarzda olib borilishi mumkin. Suspenziyada material qancha koʻp boʻlsa, ultratovush bilan ishlov berish jarayonidan foyda olmaydigan tashuvchi suyuqlikka shuncha kam ishlov beriladi. Termodinamika qonuniga koʻra suyuqlikka energiya kiritish uning qizishiga sabab boʻlganligi uchun, bu ultratovush energiyasi imkon qadar maqsadli materialga qoʻllanishini anglatadi. Jarayonni bunday samarali tashkil etish ortiqcha tashuvchi suyuqlikning behuda qizishining oldini oladi.
Ultratovush hujayra ichidagi materialni ekstraksiya qilishga yordam beradi va shu orqali uni fermentativ fermentatsiya uchun oʻzlashtirishga yaroqli qiladi. Yumshoq ultratovush bilan ishlov berish fermentativ faollikni oshirishi mumkin, biroq biomassani ekstraksiya qilish uchun kuchliroq ultratovush talab etiladi. Shu sababli fermentlar biomassa suspenziyasiga ultratovush bilan ishlov berilgandan keyin qoʻshilishi kerak, chunki kuchli ultratovush fermentlarni inaktivatsiyalaydi, bu esa nomaqbul taʼsirdir.

Ilmiy tadqiqotlarda hozirgacha erishilgan natijalar:

Yoswathana et al. (2010) ning sholi somonidan bioetanol ishlab chiqarishga oid tadqiqotlari ferment bilan ishlov berishdan oldin kislotali dastlabki ishlov va ultratovushni birgalikda qoʻllash shakar chiqimining 44% gacha oshishiga (sholi somoni asosida) olib kelishini koʻrsatdi. Bu lignotsellyulozali materialni shakarga fermentativ gidroliz qilishdan oldin fizik va kimyoviy dastlabki ishlovni birgalikda qoʻllashning samaradorligini koʻrsatadi. 

2-diagrammada sholi somonidan bioetanol ishlab chiqarish davomida ultratovush nurlanishining ijobiy taʼsirlari grafik tarzda koʻrsatilgan. (Kislota/ ferment bilan dastlabki ishlov va ultratovushli dastlabki ishlovdan oʻtkazilgan namunalarni detoksikatsiyalash uchun yogʻoch koʻmiridan foydalanilgan.)

Yana bir yaqinda oʻtkazilgan tadqiqotda ultratovush bilan ishlov berishning β-galaktozidaza fermentining hujayra tashqarisidagi va hujayra ichidagi darajalariga taʼsiri oʻrganildi. Sulaiman et al. (2011) boshqariladigan haroratda ultratovush qoʻllab, Kluyveromyces marxianus (ATCC 46537) achitqisining oʻsishini ragʻbatlantirish orqali bioetanol ishlab chiqarish unumdorligini sezilarli darajada oshirishga muvaffaq boʻldi. Maqola mualliflari yuqori quvvatli ultratovush (20 kHz) bilan ≤20% ish sikllarida davriy ishlov berish K. marxianus da biomassa hosil boʻlishi, laktoza metabolizmi va etanol ishlab chiqarishni nisbatan yuqori boʻlgan 11,8Wcm² ultratovush bilan ishlov berish intensivligida ragʻbatlantirganini umumlashtiradi. Eng yaxshi sharoitlarda ultratovush bilan ishlov berish etanolning yakuniy konsentratsiyasini nazoratga nisbatan qariyb 3,5 baravar oshirdi. Bu etanol ishlab chiqarish unumdorligining 3,5 baravar oshishiga mos keldi, biroq ultratovush bilan ishlov berish orqali ozuqa muhitining har bir kub metriga 952W qoʻshimcha quvvat kiritishni talab qildi. Energiyaga boʻlgan bu qoʻshimcha talab, albatta, bioreaktorlarning maqbul ish meʼyorlari doirasida edi va yuqori qiymatli mahsulotlar uchun oshgan unumdorlik hisobiga osonlikcha qoplanishi mumkin edi.

Xulosa: Ultratovush yordamidagi fermentatsiyaning afzalliklari

Ultratovush bilan ishlov berish bioetanol chiqimini oshirishning samarali va innovatsion usuli ekanligi koʻrsatilgan. Ultratovush asosan makkajoʻxori, soya, somon, lignotsellyulozali material yoki sabzavot chiqindilari kabi biomassadan hujayra ichidagi materialni ekstraksiya qilish uchun ishlatiladi.

• Bioetanol chiqimining oshishi
• Parchalanish/ hujayralarning buzilishi va hujayra ichidagi materialning ajralib chiqishi
• Anaerob parchalanishning yaxshilanishi
• Yumshoq ultratovush bilan ishlov berish orqali fermentlarni faollashtirish
• Yuqori konsentratsiyali suspenziyalar yordamida jarayon samaradorligini yaxshilash

Oddiy sinovlar, takrorlanadigan miqyosni oshirish va oson oʻrnatish (jumladan, allaqachon mavjud ishlab chiqarish oqimlarida ham) ultratovush texnologiyasini foydali va samarali qiladi. Tijorat maqsadidagi ishlov berish uchun ishonchli sanoat ultratovushli protsessorlari mavjud boʻlib, ular amalda cheklanmagan hajmdagi suyuqliklarga ultratovush bilan ishlov berish imkonini beradi.