Mejora de la eficiencia en la producción de bioenergía mediante ultrasonidos de alta potencia

La aplicación de ultrasonidos de alta intensidad (sonicación) a la producción de energía renovable supone un avance significativo en la eficiencia de los procesos. Al aprovechar la cavitación acústica, la tecnología ultrasónica mejora la transferencia de masa, rompe las estructuras celulares y acelera las reacciones químicas en diversas vías de producción de biocombustibles, entre ellas el biodiésel, el bioetanol y el biogás.
Los combustibles renovables gozan de una demanda creciente a medida que los precios del petróleo marcan nuevas cotas. La aplicación de la tecnología ultrasónica a la producción de combustibles verdes, como el biodiésel, el bioetanol y el biogás, mejora la eficiencia técnica y comercial.

Biodiésel a partir de aceite vegetal usado y grasa animal

El biodiésel es un combustible renovable que puede utilizarse en motores diésel como alternativa al gasóleo derivado del petróleo. El biodiésel se obtiene mediante transesterificación a partir de materias primas como aceites vegetales, grasas animales o grasas. Las materias primas más comunes son el aceite de soja, de colza o de algas. La fabricación de biodiésel implica una reacción catalítica con alcohol (metanol o etanol). La mezcla ultrasónica del aceite, la grasa o la manteca con el alcohol mejora significativamente la velocidad de reacción y el rendimiento. Esto reduce los costes de inversión y de explotación.

• Transesterificación acelerada: La irradiación ultrasónica reduce significativamente el tiempo de reacción en la producción de biodiésel, lo que a menudo permite reducirlo de horas a menos de cinco minutos.
• Separación mejorada: Esta tecnología mejora la separación de la glicerina del biodiésel, reduciendo los tiempos de sedimentación de varias horas a menos de 15 minutos.
• Mayores rendimientos: El tratamiento ultrasónico puede facilitar la obtención de rendimientos de biodiésel superiores al 99 %, al garantizar una mezcla completa de los reactivos.

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Bioetanol a partir de almidón y azúcar

El bioetanol se utiliza como alternativa ecológica a la gasolina. Se obtiene a partir del maíz, el trigo, las patatas, la caña de azúcar, el arroz y otros cereales mediante fermentación. Se utiliza levadura para fermentar el almidón y los azúcares presentes en estos cultivos y convertirlos en etanol. La desintegración ultrasónica de las estructuras celulares y la extracción del material intracelular reducen el tamaño de las partículas y exponen una superficie mucho mayor a las enzimas durante la licuefacción. Esto mejora la biodisponibilidad del almidón y el azúcar y da lugar a una fermentación más rápida y completa, lo que se traduce en una mayor producción de etanol.
La producción de bioetanol depende en gran medida de la descomposición eficaz de la biomasa lignocelulósica para liberar azúcares fermentables. Los ultrasonidos facilitan este proceso de varias maneras:

• Hidrólisis mejorada: El pretratamiento por ultrasonidos facilita la desintegración de las partículas vegetales y mejora la liberación de glucosa a partir de la suspensión de maíz en las plantas de etanol de molienda en seco.
• Fermentación estimulada: Se ha demostrado que el ultrasonido estimula la producción de etanol durante la sacarificación y fermentación simultáneas (SSF) de materiales como el papel de oficina mixto de desecho.
• Eficiencia de extracción: El ultrasonido de alta potencia resulta eficaz para extraer componentes activos como el xilano y el heteroxilano de las mazorcas y las cáscaras de maíz, así como para mejorar la extracción de aceite de la soja, lo que contribuye a ampliar las cadenas de producción de origen biológico.

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Biogás procedente de residuos y lodos

Los residuos orgánicos municipales, los lodos de depuradora, el estiércol y el fango sirven como fuente de biogás. El procesamiento de estos materiales en digestores aeróbicos o anaeróbicos convierte la materia orgánica en biogás. Ultrasonidos desintegración de la materia orgánica antes de la digestión altera la estructura del material y libera y activa enzimas. Esto mejora la digestión de la materia orgánica, lo que conduce a un procesamiento más rápido, más gas y menos lodos residuales. Esto, a su vez, aumenta la capacidad de los digestores existentes y reduce los costes de eliminación.

En la digestión anaeróbica, el pretratamiento por ultrasonidos se utiliza para desintegrar la biomasa (como los lodos activados residuales) y facilitar así el acceso de las bacterias a la materia orgánica.

• Aumento del rendimiento de biogás: Se ha demostrado que la sonicación es eficaz para aumentar la producción acumulada de biogás. Diversos estudios han señalado un incremento en la producción de biogás que oscila entre el 26 % y el 36 % en comparación con los lodos no tratados.
• Mejora en la reducción de sólidos: El tratamiento ultrasónico mejora la destrucción de los sólidos volátiles (VS). Por ejemplo, la destrucción de los VS puede aumentar del 30 % al 35 % o incluso más (hasta el 39 %), dependiendo de la carga orgánica y la energía aportada.
• Integración de las aguas residuales: Los biosólidos procedentes de las plantas de tratamiento de aguas residuales urbanas e industriales, así como los generados por las propias plantas de biogás, pueden tratarse de forma eficaz mediante reactores ultrasónicos para optimizar el proceso de estabilización y recuperación de energía.

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La desintegración por ultrasonidos de estiércoles animales antes de la digestión anaerobia mejora los rendimientos de biogás.

Balanza energética ultrasónica

Los procesos mencionados anteriormente no requieren mucha energía ultrasónica. En general, el excedente de energía resultante de la sonicación compensa la energía utilizada para generar el ultrasonido. Los dispositivos ultrasónicos de Hielscher tienen una eficiencia global superior al 85 %. Esto significa que más del 85 % de la energía eléctrica se convierte y se transmite al líquido en forma de energía mecánica. Las necesidades energéticas reales de un proceso pueden determinarse a pequeña escala utilizando un procesador ultrasónico de 1 kW de sobremesa. Todos los resultados de estos ensayos de laboratorio pueden ampliarse fácilmente. Hielscher suministra equipos industriales de procesamiento ultrasónico en todo el mundo. Con homogeneizadores ultrasónicos industriales de hasta 16 kW de potencia por sonificador individual, no hay límite en cuanto al tamaño de la planta o la capacidad de procesamiento.