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<div class="csl-entry">Radel, S. (2002). <i>Ultrasonically enhanced settling: the effects of ultrasonic plane wave fields on suspensions of the yeast Saccharomyces cerevisiae</i> [Dissertation, Technische Universität Wien]. reposiTUm. https://resolver.obvsg.at/urn:nbn:at:at-ubtuw:1-9205</div>
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Ultrasonically Enhanced Settling is an effect applying to suspensions, i.e. particles dispersed in a liquid, being exposed to ultrasonic standing waves of appropriate wavelength. The principle is based on the fact that due to so-called radiation forces the particles are highly concentrated in certain regions of the sound field, thus building up aggregates that settle more rapidly than single particles. The object of this study was to exploit this technique in yeast technology especially in brewing. Therefore suspensions of brewer's yeast were investigated. A separation system based on commercially successfully applied ultrasonic cell retention/filtration of mammalian cells was used and was shown to reach separation efficiencies of up to 99.6% for suspensions of Saccharomyces cerevisiae. Optimisation was achieved based on analysis of the influence on separation efficiency of the process parameters bio-mass load, electrical power input and suspension throughput. Boundary conditions like a minimum cell concentration of 5·106 cells/mL and a maximum throughput of 50 L/day were identified for proper filter operation. The decrease of the effective acoustic quality factor of yeast suspensions when different cell concentrations were used was evaluated. It was shown that this effect influenced the acoustic field within the resonator at a biomass load of 50 g/L. The development of cell concentration at the filter outlet, from the time the ultrasound was switched on, was successfully described by a mathematical model. A limitation of applicability of Ultrasonically Enhanced Settling based on the most important fermentation end-product ethanol was identified. The separation efficiency was vanishing when turbulence occurred in the filter chamber in the presence of ethanol at a concentration of 12%(v/v). Furthermore the cells showed morphological damages in these experiments, over 90% of cells were killed during a sonication of one hour. No evidence of inertial cavitation was found. The turbulence was found to result from the special behaviour of the speed of sound of water-rich ethanol mixtures. The acoustic contrast between the yeast cells and the host liquid was diminished and thus the spatial ordering that usually keeps the cells by immobilisation in the pressure nodes of the standing wave was suppressed. However, at normal operation of the acoustic filter, when the spatial ordering was established, no significant changes of the culture, i.e. decrease of viability or leakage, were detected, the presence of ethanol apart from the critical concentration did not influence this result. Transmission electron microscopy showed some non-lethal changes in the morphology of the cells' vacuoles due to the action of the ultrasound. The cells' viability was decreased to 25% after one hour when a suspension was exposed to a progressing wave, instead of a standing wave, within a specially designed anechoic sonication system. Additionally, leakage and morphological changes were observed. Results suggested, that the influence of the sound field in the pressure inter-nodal space was responsible for the damages, the exact mechanism could not be elucidated. A novel technique suitable for very detailed examinations of the spatial arrangement of particles due to acoustic forces was developed. Gelation of polymers was initiated during sonication, therefore the spatial distribution of the cells could be "frozen" within a gel-block, which subsequently was cut and examined. This procedure delivered for the first time light micrographs of the aggregates' inner structures along with evidence of to date unexplained phenomena. The size selectivity of the ultrasonic filtration system was used to reduce a common contamination in brewing, Lactobacillus brevis. This feature could be explained exploiting the novel gel-technique by the different spatial arrangements of yeast and bacteria. Furthermore the influence of the inhomogeneous spatial arrangement of the cells on the acoustic behaviour of the resonator was successfully measured for the first time. The spatial distribution of the cells was fixed in gel and therefore decoupled from the sound field and its forces. Comparison with gel in which the cells were freely suspended delivered a decrease of the effective acoustic quality factor by the ordering. The work was supported in part by the European Commission's TMR Programme, Contract No. ERBFMRXCT97-0156, EuroUltraSonoSep.
en
dc.description.abstract
Ultraschall-induzierte Sedimentation ist die Folge einer Beschallung von Suspensionen, also in einer Flüssigkeit dispergierter Teilchen, mit stehenden Ultraschallwellen geeigneter Wellenlänge. Das Prinzip basiert auf sogenannten Schallstrahlungskräften, welche Teilchen in bestimmten Regionen des Schallfeldes konzentrieren. Die entstehenden Agglomerate sedimentieren schneller als einzelne Teilchen. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, diese Technik im Hinblick auf ihre Anwendung auf Hefezellen, speziell im Brauereiwesen, zu untersuchen. Demgemäß wurden Suspensionen von Bierhefe verwendet. Separationseffizienzen von bis zu 99,6% konnten bei der Verwendung eines Separationssystems, welches zur Zellrückhaltung bzw. -filtration bereits kommerziell eingesetzt wird, mit Suspensionen der Hefe Saccharomyces cerevisiae erreicht werden. Durch Analyse der Einflüsse von Prozessparametern, wie dispergierte Biomasse, elektrische Leistung und Volumenstrom, konnte ein Optimierung des Systems erreicht werden. Eine untere Schranke der Zellkonzentration von 5·106 Zellen pro Milliliter und eine obere Schranke des Durchflusses von 50 Liter Suspension pro Tag wurden als Grenzen für einen effizienten Betrieb des akustischen Filters identifiziert. Die Verringerung der effektiven akustischen Güte bei steigender Zellkonzentration wurde untersucht. Ein deutlicher Einfluss auf das Schallfeld im Resonator wurde ab 50 g pro Liter Biomasse festgestellt. Die zeitliche Entwicklung der Zellkonzentration am Filterausgang nach Einschalten des Ultraschalls konnte mit einem mathematischen Modell beschrieben werden. Das Endprodukt der Fermentation, Äthanol, wurde als Hindernis hinsichtlich des Einsatzes der Ultraschall-induzierten Sedimentation identifiziert. Die Separationseffizienz fiel bei einer Äthanolkonzentration von 12%(v/v), bedingt durch turbulente Strömungen im Filtersystem, auf null ab. Gleichzeitig erlitten die Zellen morphologische Schäden, über 90% der Zellen wurden bei diesen Experimenten getötet. Dabei wurden keine Hinweise auf transiente Kavitation gefunden. Die Turbulenzen konnten durch spezielle Eigenschaften von wasserreichen Äthanolmischungen erklärt werden. Der akustische Kontrast zwischen den dispergierten Hefezellen und solchen Mischungen verschwindet. Dies hat den Zusammenbruch der räumlichen Ordnung der Zellen zur Folge, sie werden nicht mehr in den Druckknoten der stehenden Welle gehalten. Im normalen Betrieb des akustischen Filters, d.h. wenn diese Ordnung hergestellt war, wurden keine signifikanten Veränderungen der Viabilität der Zellkultur oder ein Auslaufen der Zellen festgestellt. Das Vorhandensein von Äthanol unterhalb der kritischen Konzentration bewirkte unter diesen Bedingungen ebenfalls keine Veränderungen dieser Art. Transmissions-Elektronenmikroskopie zeigte einige nicht-letale Veränderungen der Zellvakuole durch den Einfluss des Ultraschalls. Die Viabilität der Zellen war nach einer einstündigen Beschallung in einer speziellen, nicht-resonanten Kammer, also in einer laufenden statt in einer stehenden Welle, um 25% verringert. Des Weiteren wurden ein Auslaufen der Zellen und morphologische Veränderungen beobachtet. Diese Ergebnisse legten nahe, dass der Einfluss des Schallfeldes im Bereich außerhalb der Druckknoten für die Schäden verantwortlich war, der genaue Mechanismus konnte nicht geklärt werden. Eine neue Methode zur detaillierten Untersuchung der räumlichen Anordnung von Teilchen aufgrund der Schallstrahlungskräfte wurde entwickelt. Die Verfestigung von Polymeren wurde während der Beschallung initiiert. Dies bewirkte das "Einfrieren" der räumlichen Verteilung von Zellen in einem Gel-Block. Dieser wurde im weiteren Verlauf des Experiments zerschnitten und untersucht, es entstanden die ersten mikroskopischen Aufnahmen der inneren Struktur der Agglomerate. Hinweise auf bisher nicht beobachtete Anordnungen der Zellen wurden gefunden. Die Größenselektivität des Ultraschallfilters wurde verwendet, um die Konzentration von Milchsäurebakterien Lactobacillus brevis in einer Hefesuspension zu senken. Dieser Mikroorganismus ist eine verbreitete Verunreinigung im Brauereiwesen. Mit der Gel-Technik konnte gezeigt werden, dass die Selektivität des Ultraschallfilters auf die unterschiedliche räumliche Anordnung der beiden Zelltypen zurückzuführen ist. Zum ersten Mal wurde der Einfluss der inhomogenen räumlichen Verteilung der Zellen auf das akustischen Verhalten des Resonators gemessen. Die Fixierung im Gel entkoppelt das Schallfeld von den Schallstrahlungskräften, der Vergleich mit gleichmäßig verteilten Teilchen zeigte eine Verringerung der effektiven akustischen Güte der Zellsuspension durch die räumliche Ordnung. Diese Arbeit wurde zum Teil vom TMR-Programm der Europäischen Kommission, Vertrag Nr. ERBFMRXCT97-0156, EuroUltraSonoSep, unterstützt.
de
dc.language
English
-
dc.language.iso
en
-
dc.rights.uri
http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
-
dc.subject
Saccharomyces cerevisiae
de
dc.subject
Suspension
de
dc.subject
Absetzen
de
dc.subject
Ultraschall
de
dc.title
Ultrasonically enhanced settling: the effects of ultrasonic plane wave fields on suspensions of the yeast Saccharomyces cerevisiae