Lên men có hỗ trợ siêu âm để sản xuất ethanol sinh học

Lên men có hỗ trợ siêu âm có thể tăng cường sản xuất ethanol sinh học bằng cách thúc đẩy quá trình phân giải carbohydrate phức tạp thành các loại đường đơn giản hơn, giúp nấm men dễ dàng sử dụng chúng để chuyển hóa thành ethanol. Đồng thời, xử lý siêu âm cũng cải thiện hiệu quả thấm qua thành tế bào nấm men, giúp ethanol được giải phóng nhanh hơn và tăng tổng sản lượng. Nhờ đó, quá trình lên men ethanol sinh học có hỗ trợ siêu âm đạt tỷ lệ chuyển hóa cao hơn và hiệu suất thu hồi cao hơn.

Lên men

Lên men có thể là một quá trình hiếu khí (= lên men oxy hóa) hoặc kỵ khí, được sử dụng trong các ứng dụng công nghệ sinh học để chuyển hóa vật liệu hữu cơ bằng các hệ nuôi cấy tế bào vi khuẩn, nấm hoặc các tế bào sinh học khác, hoặc bằng enzyme. Thông qua quá trình lên men, năng lượng được thu nhận từ sự oxy hóa các hợp chất hữu cơ, ví dụ như carbohydrate.
Đường là cơ chất phổ biến nhất của quá trình lên men, tạo ra các sản phẩm sau lên men như axit lactic, lactose, ethanol và hydro. Trong quá trình lên men rượu, ethanol – đặc biệt để sử dụng làm nhiên liệu, nhưng cũng để sản xuất đồ uống có cồn – được tạo ra bằng quá trình lên men. Khi một số chủng nấm men nhất định, chẳng hạn như Saccharomyces cerevisiae chuyển hóa đường, các tế bào nấm men chuyển đổi nguyên liệu ban đầu thành ethanol và carbon dioxide.

Các phương trình hóa học dưới đây tóm tắt quá trình chuyển hóa:

Nếu nguyên liệu ban đầu là tinh bột, ví dụ từ ngô, trước tiên tinh bột phải được chuyển hóa thành đường. Đối với ethanol sinh học dùng làm nhiên liệu, cần thực hiện thủy phân để chuyển hóa tinh bột. Thông thường, quá trình thủy phân được đẩy nhanh bằng xử lý axit, xử lý enzyme hoặc kết hợp cả hai. Quá trình lên men thường được tiến hành ở khoảng 35–40 °C.
Tổng quan về các quá trình lên men khác nhau:

Thực phẩm :

• sản xuất & bảo quản
• các sản phẩm từ sữa (lên men axit lactic), ví dụ như sữa chua, sữa bơ, kefir
• rau củ lên men lactic, ví dụ như kimchi, miso, natto, tsukemono, dưa cải bắp lên men
• tạo các chất thơm, ví dụ như trong nước tương
• phân giải các chất chát, ví dụ như trong trà, ca cao, cà phê, thuốc lá
• đồ uống có cồn, ví dụ như bia, rượu vang, whisky

Dược phẩm :

• sản xuất các hợp chất dùng trong y học, ví dụ như insulin, axit hyaluronic

Khí sinh học/ Ethanol :

• cải thiện sản xuất khí sinh học/ ethanol sinh học

Nhiều công trình nghiên cứu và thử nghiệm ở quy mô thiết bị để bàn và quy mô thí điểm đã cho thấy siêu âm cải thiện quá trình lên men bằng cách làm cho nhiều sinh khối hơn sẵn có cho quá trình lên men bằng enzyme. Phần tiếp theo sẽ trình bày chi tiết về tác động của siêu âm trong chất lỏng.

Tác động của quá trình xử lý chất lỏng bằng siêu âm

Siêu âm công suất cao/ tần số thấp có thể tạo ra biên độ lớn. Nhờ đó, siêu âm công suất cao/ tần số thấp có thể được sử dụng để xử lý chất lỏng, chẳng hạn như trộn, nhũ hóa, phân tán và phá kết tụ, hoặc nghiền.
Khi xử lý chất lỏng bằng siêu âm cường độ cao, các sóng âm truyền vào môi trường chất lỏng tạo ra các chu kỳ áp suất cao (nén) và áp suất thấp (giãn) luân phiên, với tốc độ lặp lại phụ thuộc vào tần số. Trong chu kỳ áp suất thấp, sóng siêu âm cường độ cao tạo ra các bọt chân không nhỏ hoặc các khoang rỗng trong chất lỏng. Khi các bọt đạt đến thể tích mà tại đó chúng không còn có thể hấp thụ năng lượng, chúng sụp đổ dữ dội trong một chu kỳ áp suất cao. Hiện tượng này được gọi là xâm thực. Xâm thực, tức là “sự hình thành, phát triển và sụp đổ hướng vào trong của các bọt trong chất lỏng. Sự sụp đổ do xâm thực tạo ra sự gia nhiệt cục bộ mạnh (~5000 K), áp suất cao (~1000 atm), tốc độ gia nhiệt và làm nguội cực lớn (>109 K/sec)” và các tia chất lỏng (~400 km/h)”. (Suslick 1998)

Có nhiều cách khác nhau để tạo ra hiện tượng xâm thực, chẳng hạn như sử dụng vòi phun áp suất cao, máy trộn rôto–stato hoặc thiết bị xử lý siêu âm. Trong tất cả các hệ thống này, năng lượng đầu vào được chuyển thành ma sát, dòng chảy rối, sóng và hiện tượng xâm thực. Tỷ lệ năng lượng đầu vào được chuyển thành hiện tượng xâm thực phụ thuộc vào một số yếu tố mô tả chuyển động của thiết bị tạo xâm thực trong chất lỏng. Cường độ gia tốc là một trong những yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến hiệu quả chuyển đổi năng lượng thành hiện tượng xâm thực. Gia tốc cao hơn tạo ra chênh lệch áp suất lớn hơn. Điều này làm tăng khả năng hình thành các bọt chân không thay vì tạo ra các sóng lan truyền trong chất lỏng. Do đó, gia tốc càng cao thì tỷ lệ năng lượng được chuyển thành hiện tượng xâm thực càng lớn.
Đối với bộ chuyển đổi siêu âm, biên độ dao động mô tả cường độ gia tốc. Biên độ cao hơn giúp tạo ra hiện tượng xâm thực hiệu quả hơn. Ngoài cường độ gia tốc, chất lỏng cần được gia tốc theo cách giảm thiểu tổn thất do dòng chảy rối, ma sát và sự hình thành sóng. Để đạt được điều này, cách tối ưu là chuyển động theo một hướng. Bằng cách thay đổi cường độ và các thông số của quá trình xử lý siêu âm, tác động của siêu âm có thể rất mạnh hoặc rất nhẹ. Điều này khiến siêu âm trở thành một công cụ rất linh hoạt cho nhiều ứng dụng.

Các ứng dụng nhẹ, sử dụng siêu âm cường độ thấp trong điều kiện ôn hòa, bao gồm khử khí, nhũ hóa, và hoạt hóa enzym. Các ứng dụng mạnh sử dụng siêu âm cường độ cao/ công suất cao (chủ yếu dưới áp suất cao) gồm nghiền ướt, phá kết tụ & giảm kích thước hạt, và phân tán. Đối với nhiều ứng dụng như chiết xuất, phá vỡ cấu trúc hoặc hóa học siêu âm, cường độ siêu âm cần thiết phụ thuộc vào vật liệu cụ thể cần xử lý bằng siêu âm. Nhờ có nhiều thông số có thể điều chỉnh cho từng quá trình, siêu âm cho phép xác định điểm vận hành tối ưu cho mỗi quá trình riêng biệt.
Bên cạnh khả năng chuyển đổi công suất vượt trội, xử lý siêu âm còn mang lại lợi thế lớn là kiểm soát hoàn toàn các thông số quan trọng nhất: Biên độ, Áp suất, Nhiệt độ, Độ nhớt và Nồng độ. Điều này cho phép điều chỉnh tất cả các thông số này nhằm tìm ra các thông số xử lý lý tưởng cho từng vật liệu cụ thể. Nhờ đó, hiệu quả xử lý được nâng cao và hiệu suất được tối ưu hóa.

Siêu âm để cải thiện các quá trình lên men, được minh họa qua sản xuất ethanol sinh học

Ethanol sinh học là sản phẩm của quá trình phân hủy sinh khối hoặc vật chất có khả năng phân hủy sinh học trong chất thải bởi vi khuẩn kỵ khí hoặc hiếu khí. Ethanol được tạo ra chủ yếu được sử dụng làm nhiên liệu sinh học.  Điều này khiến ethanol sinh học trở thành một giải pháp thay thế có thể tái tạo và thân thiện với môi trường cho các nhiên liệu hóa thạch, chẳng hạn như khí tự nhiên.
Để sản xuất ethanol từ sinh khối, có thể sử dụng đường, tinh bột và vật liệu lignoxenluloza làm nguyên liệu đầu vào. Ở quy mô sản xuất công nghiệp, đường và tinh bột hiện chiếm ưu thế vì có lợi về mặt kinh tế.
Có thể thực hiện các thử nghiệm tính khả thi rất đơn giản để xác định cách siêu âm cải thiện một quá trình riêng của khách hàng với nguyên liệu đầu vào cụ thể trong những điều kiện nhất định. Ở bước đầu tiên, việc xử lý một lượng nhỏ huyền phù nguyên liệu bằng một thiết bị siêu âm trong phòng thí nghiệm sẽ cho thấy liệu siêu âm có tác động đến nguyên liệu đầu vào hay không.

Thử nghiệm tính khả thi

Trong giai đoạn thử nghiệm đầu tiên, nên đưa một lượng năng lượng siêu âm tương đối cao vào một thể tích chất lỏng nhỏ, vì điều này làm tăng khả năng xác định liệu có thể thu được kết quả nào hay không. Thể tích mẫu nhỏ cũng rút ngắn thời gian sử dụng thiết bị phòng thí nghiệm và giảm chi phí cho các thử nghiệm ban đầu.
Sóng siêu âm được truyền từ bề mặt đầu dò siêu âm vào chất lỏng. Ngay bên dưới bề mặt đầu dò siêu âm, cường độ siêu âm đạt mức cao nhất. Vì vậy, nên giữ khoảng cách ngắn giữa đầu dò siêu âm và vật liệu được xử lý siêu âm. Khi xử lý một thể tích chất lỏng nhỏ, có thể duy trì khoảng cách ngắn từ đầu dò siêu âm.
Bảng dưới đây trình bày các mức năng lượng/thể tích điển hình cho các quy trình xử lý siêu âm sau khi tối ưu hóa. Do các thử nghiệm đầu tiên sẽ không được thực hiện ở cấu hình tối ưu, việc sử dụng cường độ và thời gian xử lý siêu âm gấp 10 đến 50 lần giá trị điển hình sẽ cho thấy liệu có tác động nào đến vật liệu được xử lý siêu âm hay không.

Quy trình	Năng lượng/ Thể tích	Thể tích mẫu	Công suất	Thời gian
Đơn giản	< 100Ws/mL	10mL	50W	< 20 sec
Trung bình	100Ws/mL đến 500Ws/mL	10mL	50W	20 đến 100 sec
Cường độ cao	> 500Ws/mL	10mL	50W	>100 sec

Bảng 1 – Các giá trị xử lý siêu âm điển hình sau khi tối ưu hóa quy trình

Công suất đầu vào thực tế của các lần chạy thử có thể được ghi lại thông qua chức năng ghi dữ liệu tích hợp (UP200Ht và UP200St), giao diện PC hoặc bằng máy đo công suất. Kết hợp với dữ liệu đã ghi về thiết lập biên độ và nhiệt độ, có thể đánh giá kết quả của từng thử nghiệm và xác lập mức cơ sở cho năng lượng/thể tích.
Nếu đã chọn được cấu hình tối ưu trong quá trình thử nghiệm, hiệu quả hoạt động của cấu hình này có thể được xác minh trong bước tối ưu hóa và cuối cùng có thể được mở rộng lên quy mô thương mại. Để thuận tiện cho việc tối ưu hóa, cũng rất nên khảo sát các giới hạn của quá trình xử lý siêu âm, chẳng hạn như nhiệt độ, biên độ hoặc năng lượng/thể tích đối với các công thức phối liệu cụ thể. Vì siêu âm có thể gây tác động tiêu cực đến tế bào, hóa chất hoặc hạt, cần khảo sát các mức tới hạn của từng thông số để giới hạn bước tối ưu hóa tiếp theo trong phạm vi thông số mà không quan sát thấy các tác động tiêu cực. Đối với nghiên cứu tính khả thi, nên sử dụng các thiết bị nhỏ dùng trong phòng thí nghiệm hoặc thiết bị để bàn để hạn chế chi phí thiết bị và mẫu trong những thử nghiệm như vậy. Nhìn chung, các thiết bị có công suất từ 100 đến 1.000 oát đáp ứng rất tốt mục đích của nghiên cứu tính khả thi. (tham khảo Hielscher 2005)

Tối ưu hóa

Các kết quả thu được trong nghiên cứu tính khả thi có thể cho thấy mức tiêu thụ năng lượng khá cao so với thể tích nhỏ được xử lý. Tuy nhiên, mục đích chủ yếu của thử nghiệm tính khả thi là cho thấy tác động của siêu âm đến vật liệu. Nếu xuất hiện các tác động tích cực trong thử nghiệm tính khả thi, cần tiếp tục nỗ lực tối ưu hóa tỷ lệ năng lượng/thể tích. Điều này có nghĩa là khảo sát cấu hình thông số siêu âm lý tưởng để đạt hiệu suất thu hồi cao nhất với mức năng lượng thấp nhất có thể, nhằm làm cho quy trình hợp lý và hiệu quả nhất về mặt kinh tế. Để tìm được cấu hình thông số tối ưu – đạt được các lợi ích mong muốn với năng lượng đầu vào tối thiểu – cần khảo sát mối tương quan giữa các thông số quan trọng nhất là biên độ, áp suất, nhiệt độ và thành phần chất lỏng . Trong bước thứ hai này, nên chuyển từ xử lý siêu âm theo mẻ sang hệ thống xử lý siêu âm liên tục có buồng phản ứng dòng chảy, vì không thể điều chỉnh thông số quan trọng là áp suất trong quá trình xử lý siêu âm theo mẻ. Trong quá trình xử lý siêu âm theo mẻ, áp suất bị giới hạn ở áp suất môi trường. Nếu quá trình xử lý siêu âm diễn ra trong buồng dòng chảy có thể điều áp, áp suất có thể được tăng lên (hoặc giảm xuống), điều này nhìn chung ảnh hưởng đến hiện tượng xâm thực siêu âm một cách mạnh mẽ. Bằng cách sử dụng buồng dòng chảy, có thể xác định mối tương quan giữa áp suất và hiệu quả quy trình. Các thiết bị xử lý siêu âm có công suất từ 500 oát đến 2000 oát là phù hợp nhất để tối ưu hóa một quy trình.

Mở rộng quy mô lên sản xuất thương mại

Khi đã tìm được cấu hình tối ưu, việc mở rộng quy mô tiếp theo rất đơn giản vì các quá trình siêu âm có thể được tái lập hoàn toàn khi mở rộng quy mô tuyến tính. Điều này có nghĩa là khi siêu âm được áp dụng cho cùng một công thức chất lỏng với cùng một cấu hình thông số xử lý, cần cùng một mức năng lượng trên mỗi đơn vị thể tích để thu được kết quả giống nhau, bất kể quy mô xử lý. (Hielscher 2005). Điều đó cho phép áp dụng cấu hình thông số siêu âm tối ưu vào quy mô sản xuất toàn phần. Trên thực tế, thể tích có thể được xử lý bằng siêu âm là không giới hạn. Các hệ thống siêu âm thương mại có công suất lên đến 16.000 oát cho mỗi thiết bị hiện có sẵn và có thể được lắp đặt thành cụm. Các cụm thiết bị xử lý siêu âm như vậy có thể được lắp song song hoặc nối tiếp. Nhờ lắp đặt các thiết bị xử lý siêu âm công suất cao thành cụm, tổng công suất gần như không giới hạn, nhờ đó có thể xử lý các dòng chất lỏng có lưu lượng lớn mà không gặp vấn đề. Nếu cần điều chỉnh hệ thống siêu âm, chẳng hạn để điều chỉnh các thông số cho một công thức chất lỏng đã thay đổi, phần lớn trường hợp có thể thực hiện bằng cách thay đầu dò siêu âm, bộ tăng biên hoặc buồng dòng chảy. Khả năng mở rộng quy mô tuyến tính, khả năng tái lập và khả năng thích ứng của siêu âm giúp công nghệ tiên tiến này đạt hiệu quả xử lý và hiệu quả chi phí cao.

Các thông số xử lý bằng siêu âm

Quá trình xử lý chất lỏng bằng siêu âm được mô tả bằng một số thông số. Quan trọng nhất là biên độ, áp suất, nhiệt độ, độ nhớt và nồng độ. Với một cấu hình thông số nhất định, kết quả xử lý, chẳng hạn như kích thước hạt, là một hàm của năng lượng trên mỗi đơn vị thể tích được xử lý. Hàm này thay đổi khi từng thông số thay đổi. Ngoài ra, công suất đầu ra thực tế trên mỗi đơn vị diện tích bề mặt đầu dò của một thiết bị siêu âm phụ thuộc vào các thông số đó. Công suất đầu ra trên mỗi đơn vị diện tích bề mặt đầu dò là cường độ bề mặt (I). Cường độ bề mặt phụ thuộc vào biên độ (A), áp suất (p), thể tích thiết bị phản ứng (VR), nhiệt độ (T), độ nhớt (η) và các thông số khác.

Tác động của hiện tượng xâm thực được tạo ra phụ thuộc vào cường độ bề mặt. Tương tự, kết quả xử lý cũng có mối tương quan này. Tổng công suất đầu ra của một thiết bị siêu âm là tích của cường độ bề mặt (I) và diện tích bề mặt (S):

P [W] I [W / mm²]* S[mm²]

Biên độ

Biên độ dao động mô tả quãng đường (ví dụ: 50 µm) mà bề mặt đầu dò siêu âm di chuyển trong một khoảng thời gian nhất định (ví dụ: 1/20.000s ở 20kHz). Biên độ càng lớn, tốc độ giảm và tăng áp suất trong mỗi hành trình càng cao. Ngoài ra, thể tích dịch chuyển trong mỗi hành trình tăng lên, dẫn đến thể tích xâm thực lớn hơn (kích thước và/hoặc số lượng bọt). Khi áp dụng cho các hệ phân tán, biên độ cao hơn gây phá hủy các hạt rắn mạnh hơn. Bảng 1 trình bày các giá trị tổng quát cho một số quá trình siêu âm.

Áp suất

Điểm sôi của chất lỏng phụ thuộc vào áp suất. Áp suất càng cao thì điểm sôi càng cao và ngược lại. Áp suất cao cho phép hiện tượng xâm thực xảy ra ở nhiệt độ gần hoặc trên điểm sôi. Áp suất cao cũng làm tăng cường độ sụp đổ của bọt khí, có liên quan đến chênh lệch giữa áp suất tĩnh và áp suất hơi bên trong bọt khí (xem Vercet và cộng sự 1999). Vì công suất và cường độ siêu âm thay đổi nhanh theo sự thay đổi của áp suất, nên ưu tiên sử dụng bơm có áp suất không đổi. Khi cấp chất lỏng cho buồng dòng chảy, bơm cần có khả năng xử lý dòng chất lỏng cụ thể ở các mức áp suất phù hợp. Bơm màng; bơm ống mềm, bơm ống hoặc bơm bóp; bơm nhu động; hoặc bơm pít-tông hay bơm pít-tông trụ sẽ tạo ra các dao động áp suất luân phiên. Ưu tiên các loại bơm ly tâm, bơm bánh răng, bơm xoắn ốc và bơm trục vít lệch tâm có khả năng cấp chất lỏng cần xử lý siêu âm ở áp suất ổn định liên tục. (Hielscher 2005)

Nhiệt độ

Khi xử lý chất lỏng bằng siêu âm, công suất được truyền vào môi trường. Do dao động do siêu âm tạo ra gây ra dòng chảy rối và ma sát, chất lỏng được xử lý siêu âm – theo định luật nhiệt động lực học – sẽ nóng lên. Nhiệt độ cao của môi trường được xử lý có thể phá hủy vật liệu và làm giảm hiệu quả của hiện tượng xâm thực siêu âm. Các buồng dòng chảy siêu âm tiên tiến được trang bị áo làm mát (xem hình). Nhờ đó, nhiệt độ của vật liệu trong quá trình xử lý siêu âm được kiểm soát chính xác. Khi xử lý siêu âm các thể tích nhỏ trong cốc có mỏ, nên sử dụng bể nước đá để tản nhiệt.

Độ nhớt và nồng độ

Các quá trình nghiền và phân tán bằng siêu âm là các quá trình diễn ra trong chất lỏng. Các hạt phải ở dạng huyền phù, ví dụ trong nước, dầu, dung môi hoặc nhựa. Việc sử dụng các hệ thống siêu âm dòng chảy liên tục cho phép xử lý siêu âm các vật liệu có độ nhớt rất cao, dạng nhão.
Thiết bị xử lý siêu âm công suất cao có thể hoạt động ở nồng độ chất rắn khá cao. Nồng độ cao mang lại hiệu quả xử lý siêu âm vì tác dụng nghiền bằng siêu âm là do va chạm giữa các hạt gây ra. Các nghiên cứu cho thấy tốc độ phá vỡ silica không phụ thuộc vào nồng độ chất rắn lên đến 50% theo khối lượng. Xử lý các mẻ phối liệu đậm đặc có tỷ lệ vật liệu ở nồng độ cao là một quy trình sản xuất phổ biến sử dụng siêu âm.

Công suất và cường độ so với năng lượng

Cường độ bề mặt và tổng công suất chỉ mô tả cường độ xử lý. Cần xem xét thể tích mẫu được xử lý siêu âm và thời gian tiếp xúc ở một cường độ nhất định để mô tả quá trình xử lý siêu âm sao cho có thể mở rộng quy mô và tái lập. Với một cấu hình thông số cho trước, kết quả quá trình, ví dụ kích thước hạt hoặc mức chuyển hóa hóa học, sẽ phụ thuộc vào năng lượng trên một đơn vị thể tích (E/V).

Kết quả = f (E /V )

Trong đó năng lượng (E) là tích của công suất đầu ra (P) và thời gian tiếp xúc (t).

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

Những thay đổi trong cấu hình thông số sẽ làm thay đổi hàm kết quả. Điều này sẽ làm thay đổi lượng năng lượng (E) cần thiết cho một thể tích mẫu (V) cho trước để đạt được một giá trị kết quả cụ thể. Vì lý do này, chỉ áp dụng một mức công suất siêu âm nhất định vào một quá trình là chưa đủ để thu được kết quả. Cần có cách tiếp cận tinh vi hơn để xác định công suất cần thiết và cấu hình thông số mà tại đó công suất cần được truyền vào vật liệu xử lý. (Hielscher 2005)

Sản xuất ethanol sinh học có hỗ trợ siêu âm

Siêu âm đã được biết đến là có khả năng cải thiện việc sản xuất ethanol sinh học. Nên bổ sung sinh khối để làm đặc chất lỏng thành huyền phù có độ nhớt cao nhưng vẫn bơm được. Các thiết bị phản ứng siêu âm có thể xử lý nồng độ chất rắn khá cao, giúp quá trình xử lý siêu âm đạt hiệu quả cao nhất. Huyền phù càng chứa nhiều vật liệu thì lượng chất lỏng mang cần xử lý càng ít, trong khi chất lỏng mang này không được hưởng lợi từ quá trình xử lý siêu âm. Theo định luật nhiệt động lực học, việc đưa năng lượng vào chất lỏng làm chất lỏng nóng lên, nên điều này có nghĩa là năng lượng siêu âm được truyền vào vật liệu mục tiêu ở mức tối đa có thể. Thiết kế quy trình hiệu quả như vậy giúp tránh lãng phí năng lượng để làm nóng lượng chất lỏng mang dư thừa.
Siêu âm hỗ trợ quá trình chiết xuất vật chất nội bào, nhờ đó làm cho vật chất này sẵn có cho quá trình lên men bằng enzyme. Xử lý siêu âm nhẹ có thể tăng cường hoạt tính enzyme, nhưng việc chiết xuất sinh khối đòi hỏi siêu âm có cường độ cao hơn. Vì vậy, nên bổ sung enzyme vào huyền phù sinh khối sau khi xử lý siêu âm, vì siêu âm cường độ cao làm bất hoạt enzyme, đây là tác động không mong muốn.

Các kết quả hiện tại đạt được từ nghiên cứu khoa học:

Các nghiên cứu của Yoswathana và cộng sự (2010) về sản xuất ethanol sinh học từ rơm rạ cho thấy việc kết hợp tiền xử lý bằng axit và siêu âm trước khi xử lý bằng enzyme làm tăng hiệu suất thu đường lên đến 44% (tính trên cơ sở rơm rạ). Điều này cho thấy hiệu quả của việc kết hợp tiền xử lý vật lý và hóa học trước khi thủy phân vật liệu lignocellulose thành đường bằng enzyme. 

Biểu đồ 2 minh họa bằng đồ thị các tác động tích cực của việc chiếu siêu âm trong quá trình sản xuất ethanol sinh học từ rơm rạ. (Than củi đã được sử dụng để khử độc các mẫu đã qua tiền xử lý bằng axit/ enzyme và tiền xử lý bằng siêu âm.)

Trong một nghiên cứu gần đây khác, ảnh hưởng của xử lý siêu âm đến hàm lượng enzyme β-galactosidase ngoại bào và nội bào đã được khảo sát. Sulaiman và cộng sự (2011) đã có thể cải thiện đáng kể năng suất sản xuất ethanol sinh học bằng cách sử dụng siêu âm ở nhiệt độ được kiểm soát để kích thích sự sinh trưởng của nấm men Kluyveromyces marxianus (ATCC 46537). Các tác giả bài báo kết luận rằng xử lý gián đoạn bằng siêu âm công suất cao (20 kHz) với tỷ lệ thời gian hoạt động ≤20% đã kích thích sự tạo thành sinh khối, chuyển hóa lactose và sản xuất ethanol ở K. marxianus tại cường độ xử lý siêu âm tương đối cao là 11,8Wcm². Trong điều kiện tốt nhất, xử lý siêu âm làm tăng nồng độ ethanol cuối cùng lên gần 3,5 lần so với đối chứng. Điều này tương ứng với mức tăng năng suất ethanol gấp 3,5 lần, nhưng đòi hỏi bổ sung công suất đầu vào 952W cho mỗi mét khối dịch nuôi cấy thông qua xử lý siêu âm. Nhu cầu năng lượng bổ sung này chắc chắn nằm trong các định mức vận hành chấp nhận được của thiết bị phản ứng sinh học và, đối với các sản phẩm có giá trị cao, có thể dễ dàng được bù đắp nhờ năng suất tăng lên.

Kết luận: Lợi ích của quá trình lên men có hỗ trợ siêu âm

Xử lý siêu âm đã được chứng minh là một kỹ thuật hiệu quả và tiên tiến để nâng cao hiệu suất thu ethanol sinh học. Siêu âm chủ yếu được sử dụng để chiết xuất vật chất nội bào từ sinh khối, chẳng hạn như ngô, đậu nành, rơm rạ, vật liệu lignocellulose hoặc phế thải thực vật.

• Tăng hiệu suất thu ethanol sinh học
• Phân rã/ Phá hủy tế bào và giải phóng vật chất nội bào
• Cải thiện quá trình phân hủy kỵ khí
• Hoạt hóa enzyme bằng xử lý siêu âm nhẹ
• Cải thiện hiệu quả quy trình bằng huyền phù có nồng độ cao

Việc thử nghiệm đơn giản, mở rộng quy mô với kết quả có thể tái lập và lắp đặt dễ dàng (kể cả trong các dòng sản xuất hiện có) giúp siêu âm trở thành một công nghệ hiệu quả và mang lại lợi nhuận. Các thiết bị xử lý siêu âm công nghiệp đáng tin cậy dành cho xử lý ở quy mô thương mại hiện có sẵn và cho phép xử lý siêu âm các thể tích chất lỏng gần như không giới hạn.