Biorrefinerías eficientes mediante la intensificación de procesos ultrasónicos

La ultrasonicación es una técnica de intensificación de procesos que se aplica en diversos procesos de las biorrefinerías. Los procesos típicos que se benefician significativamente del tratamiento ultrasónico son la extracción, las reacciones heterogéneas lentas, así como otras aplicaciones que implican una mezcla, homogeneización y dispersión intensas. La ultrasonicación acelera los procesos y las reacciones y los hace más eficaces. Los resultados de los procesos promovidos por ultrasonidos son mayores rendimientos y tasas de conversión más elevadas.

¿Qué son las biorrefinerías?

Una biorrefinería es una instalación de producción que integra procesos de conversión de biomasa y equipos de procesamiento para producir combustibles, energía y otros productos beneficiosos, como productos químicos, a partir de la materia prima de la biomasa. La biomasa que se procesa en las biorrefinerías suele incluir materias primas como residuos agrícolas y subproductos, que se reciclan para obtener diversos productos biológicos de valor añadido, como alimentos, piensos, productos químicos o bioenergía (biocombustibles, electricidad o calor). Los procesos de producción de una biorrefinería pretenden ser sostenibles y respetuosos con el medio ambiente. Al igual que las refinerías convencionales, las biorrefinerías pueden proporcionar múltiples productos químicos mediante el fraccionamiento de una materia prima inicial (biomasa) en múltiples productos intermedios (carbohidratos, proteínas, triglicéridos) que pueden convertirse posteriormente en productos de valor añadido. Una característica clave de las biorrefinerías es la valorización y el reciclaje/reciclaje de residuos como los agrícolas, urbanos e industriales mediante la conversión de biomasa inútil en materiales valiosos.

Biorrefinerías intensificadas por ultrasonidos

Mediante la integración de la ultrasonicación, muchos procesos como la extracción, la digestión, la desintegración y la transesterificación, entre muchos otros, pueden llevarse a cabo de forma mucho más eficiente. La intensificación de los procesos por ultrasonidos en una biorrefinería tiene como principal objetivo mejorar el rendimiento, hacer que los procesos sean más eficientes en términos de tiempo y energía y mejorar la pureza y la calidad del producto final. La ultrasonicación puede contribuir a varios procesos de biorrefinería.

Extracción ultrasónica de biomasa verde

Extracción ultrasónica y homogeneización de biomasa verde para liberar y aislar compuestos valiosos

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¿Cómo funciona la sonicación? – El principio de funcionamiento de los ultrasonidos

Potente cavitación ultrasónicaPara el procesamiento por ultrasonidos de alto rendimiento, se generan ultrasonidos de alta intensidad y baja frecuencia mediante un generador de ultrasonidos y se transmiten a través de una sonda ultrasónica (sonotrodo) a un líquido. Se consideran ultrasonidos de alta potencia los ultrasonidos en el rango de 16-30kHz. La sonda de ultrasonidos se expande y contrae, por ejemplo, a 20kHz, transmitiendo así respectivamente 20.000 vibraciones por segundo al medio. Cuando las ondas ultrasónicas viajan a través del líquido, la alternancia de ciclos de alta presión (compresión) / baja presión (rarefacción o expansión) crea diminutas burbujas de vacío o cavidades, que crecen a lo largo de varios ciclos de presión. Durante la fase de compresión del líquido y las burbujas, la presión es positiva, mientras que la fase de rarefacción produce un vacío (presión negativa.) Durante los ciclos de compresión-expansión, las cavidades del líquido crecen hasta alcanzar un tamaño en el que no pueden absorber más energía. En ese momento, implosionan violentamente. La implosión de esas cavidades da lugar a diversos efectos altamente energéticos, que se conocen como fenómeno de cavitación acústica / ultrasónica. La cavitación acústica se caracteriza por múltiples efectos altamente energéticos, que afectan a líquidos, sistemas sólido/líquido y sistemas gas/líquido. La zona densa en energía o zona de cavitación se conoce como zona de punto caliente, que es más densa en energía en las proximidades de la sonda ultrasónica y disminuye con el aumento de la distancia desde el sonotrodo. La imagen de la izquierda muestra una cavitación intensa en una sonda ultrasónica de 1kW en agua. Las principales características de la cavitación ultrasónica incluyen temperaturas y presiones localmente muy elevadas y sus respectivos diferenciales, turbulencias y corrientes de líquido. Durante la implosión de cavidades ultrasónicas en puntos calientes ultrasónicos, se pueden medir temperaturas de hasta 5000 Kelvin, presiones de hasta 200 atmósferas y chorros de líquido de hasta 1000km/h. Estas extraordinarias condiciones de gran intensidad energética contribuyen a producir efectos sonomecánicos y sonoquímicos que intensifican de diversas formas los sistemas químicos y de biomasa.
El principal impacto de la ultarsonificación en la biomasa se debe a los siguientes efectos:

  • Alto cizallamiento: Las fuerzas ultrasónicas de alto cizallamiento perturban los líquidos y los sistemas líquido-sólido provocando una intensa agitación, homogeneización y transferencia de masa.
  • Impacto: Los chorros de líquido y las corrientes generadas por la cavitación ultrasónica aceleran los sólidos en los líquidos, lo que conduce posteriormente a la colisión interparticluar. Cuando las partículas chocan a velocidades muy altas, se erosionan, se rompen y se trituran y dispersan finamente, a menudo hasta el tamaño nanométrico. En el caso de la materia biológica, como el tejido vegetal y los biorresiduos, los chorros de líquido a alta velocidad y los ciclos de presión alterna alteran las paredes celulares y liberan el material intracelular. El resultado es una extracción muy eficaz de los compuestos bioactivos y una mezcla homogénea de la biomasa.
  • Agitación: La ultrasonicación provoca turbulencias intensas, fuerzas de cizallamiento y micromovimientos en el líquido o el lodo. De este modo, la sonicación siempre intensifica la transferencia de masa y acelera las reacciones y los procesos.
Extractor ultrasónico UIP4000hT para malaxado y extracción en continuo de aceite de oliva virgen extra. Este vídeo muestra el procesador ultrasónico UIPEVO / UIP4000hdT de Hielscher para la malaxación y extracción de aceite de oliva virgen extra (AOVE). La malaxación y extracción por ultrasonidos es una técnica probada para aumentar el rendimiento del aceite de oliva virgen extra, mejorar la calidad del AOVE y acelerar el tiempo de procesamiento.

Extractor ultrasónico UIP4000hdT para la malaxación y extracción industrial de aceite de oliva virgen extra

Vídeo en miniatura

Los ultrasonidos de alto rendimiento son una técnica de intensificación de procesos aplicada a múltiples industrias. La ultrasonicación se utiliza para procesar líquidos y lodos con el fin de mezclar y homogeneizar, promover la transferencia de masa, extraer compuestos y/o iniciar reacciones químicas.

Las aplicaciones habituales de la ultrasonicación en las biorrefinerías son:

  • producción de bioetanol
  • extracción de compuestos valiosos de la biomasa (por ejemplo, proteínas, pectinas, almidones, etc.)
  • síntesis de biodiésel a partir de aceites vegetales y grasas animales usados
  • biodiésel a partir de aceite de algas
  • tratamiento de la lignocelulosa
  • modificación del almidón
Ultrasonidos de alto rendimiento UIP4000hdT para aplicaciones industriales

UIP4000hdT – Sistema ultrasónico de 4 kW de potencia para la sonicación continua en línea de lodos

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Procesadores ultrasónicos de alto rendimiento para biorrefinerías

Célula de flujo UIP4000hdT para sonicación en línea a escala industrialHielscher Ultrasonic fabrica y distribuye mezcladores ultrasónicos de alto cizallamiento para aplicaciones de alto rendimiento como homogeneización, mezcla, disrupción celular, desintegración, extracción, dispersión, desgasificación e iniciación de reacciones químicas. Los reactores ultrasónicos se utilizan en biorrefinerías de todo el mundo para aumentar la eficacia, el rendimiento y la tasa de conversión de diversos procesos.
Los equipos ultrasónicos de alto rendimiento para procesos de biorrefinería están disponibles para su instalación en banco, piloto e industrial. Dado que las aplicaciones de ultrasonidos como la extracción, la desintegración, la disolución, la mejora de la transferencia de masa, la homogeneización y la desaireación son procesos ya establecidos, la transición desde las primeras pruebas, la optimización a los requisitos específicos de su proceso y la instalación de un sistema de separación y/o lixiviación por ultrasonidos totalmente industrial es rápida y sencilla.
Hielscher Ultrasonics suministra ultrasonicadores de alto rendimiento en cualquier tamaño y capacidad. Con el UIP16000 (16 kW), Hielscher fabrica el procesador de ultrasonidos más potente del mundo. El UIP16000, así como todos los demás sistemas industriales de ultrasonidos, se pueden agrupar fácilmente según la capacidad de procesamiento requerida. Todos los ultrasonicadores de Hielscher están fabricados para funcionar 24 horas al día, 7 días a la semana, a plena carga y en entornos exigentes.

Sondas ultrasónicas y sonorreactores para cualquier volumen

La gama de productos de Hielscher Ultrasonics cubre todo el espectro de procesadores por ultrasonidos, desde los compactos ultrasonicadores de laboratorio, pasando por los sistemas de sobremesa y piloto, hasta los procesadores por ultrasonidos totalmente industriales con capacidad para procesar camiones cargados por hora. La gama completa de productos nos permite ofrecerle el equipo de ultrasonidos más adecuado para su aplicación, capacidad de proceso y objetivos de producción.

Amplitudes controlables con precisión para resultados óptimos

Los procesadores industriales de la serie hdT de Hielscher se pueden manejar de forma remota desde el navegador de forma fácil y cómoda.Todos los procesadores por ultrasonidos de Hielscher se pueden controlar con precisión y, por tanto, son fiables en las aplicaciones de R&D y la producción. La amplitud es uno de los parámetros cruciales del proceso que influyen en la eficiencia y eficacia de las reacciones inducidas sonoquímica y sonomecánicamente. Todos los ultrasonidos Hielscher’ permiten ajustar con precisión la amplitud. Los sonotrodos y las bocinas de refuerzo son accesorios que permiten modificar la amplitud en un rango aún más amplio. Los procesadores ultrasónicos industriales de Hielscher pueden proporcionar amplitudes muy elevadas y ofrecer la intensidad ultrasónica necesaria para aplicaciones exigentes. Amplitudes de hasta 200µm pueden funcionar fácilmente de forma continua en funcionamiento 24/7.
Los ajustes precisos de la amplitud y la supervisión permanente de los parámetros del proceso ultrasónico mediante un software inteligente le ofrecen la posibilidad de procesar la biomasa en las condiciones ultrasónicas más eficaces. Sonicación óptima para el reciclado más eficaz de la biomasa.
La robustez de los equipos de ultrasonidos de Hielscher permite un funcionamiento ininterrumpido en entornos exigentes. Esto convierte a los equipos de ultrasonidos de Hielscher en una herramienta de trabajo fiable que cumple los requisitos de su proceso de biorrefinería.

Máxima calidad – Diseñado y fabricado en Alemania

Como empresa de propiedad y gestión familiar, Hielscher prioriza los más altos estándares de calidad para sus procesadores por ultrasonidos. Todos los equipos de ultrasonidos se diseñan, fabrican y prueban exhaustivamente en nuestra sede central de Teltow, cerca de Berlín (Alemania). La robustez y fiabilidad de los equipos de ultrasonidos de Hielscher los convierten en un caballo de batalla en su producción. El funcionamiento 24/7 a plena carga y en entornos exigentes es una característica natural de las sondas y reactores ultrasónicos de alto rendimiento de Hielscher. Nuestro cualificado equipo está preparado para ayudarle con conocimientos sobre procesos, formación y asistencia.

En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores:

Volumen del lote Tasa de flujo Dispositivos recomendados
1 a 500 mL 10 a 200 mL/min. UP100H
10 a 2000 mL 20 a 400 mL/min. UP200Ht, UP400St
0,1 a 20 L 0,2 a 4 L/min UIP2000hdT
10 a 100 L 2 a 10 L/min UIP4000hdT
n.a. 10 a 100 L/min UIP16000
n.a. mayor Grupo de UIP16000

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Los homogeneizadores ultrasónicos de alto cizallamiento se utilizan en procesos de laboratorio, de sobremesa, piloto e industriales.

Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento para aplicaciones de mezcla, dispersión, emulsificación y extracción a escala de laboratorio, piloto e industrial.

Literatura / Referencias


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