Mejora de la eficiencia de la producción de bioenergía con ultrasonidos de 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. Mediante 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, como el biodiésel, el bioetanol y el biogás.
La demanda de combustibles renovables aumenta a medida que los precios del petróleo alcanzan nuevos máximos. La aplicación de la tecnología ultrasónica a la producción de combustibles ecológicos, 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 combustible diésel obtenido del petróleo. El biodiésel se produce mediante la transesterificación de materias primas como aceites vegetales, grasas animales o grasas residuales. Entre las materias primas más habituales se encuentran los aceites de soja, colza o algas. La fabricación de biodiésel implica una reacción catalítica con un alcohol (metanol o etanol). La mezcla ultrasónica del aceite, la grasa animal o la grasa residual con el alcohol mejora significativamente la velocidad de reacción y el rendimiento. Esto reduce los costes de inversión y de operación.

• Transesterificación acelerada: La irradiación ultrasónica reduce significativamente el tiempo de reacción en la producción de biodiésel, a menudo de varias horas a menos de cinco minutos.
• Mejora de la separación: Esta tecnología mejora la separación de la glicerina del biodiésel y reduce los tiempos de decantación de varias horas a menos de 15 minutos.
• Mayores rendimientos: El tratamiento ultrasónico puede facilitar 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 mediante la fermentación de maíz, trigo, patatas, caña de azúcar, arroz y otros cereales. Se emplean levaduras para fermentar el almidón y los azúcares presentes en estos cultivos y transformarlos 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 del azúcar y da lugar a una fermentación más rápida y completa, que produce más etanol.
La producción de bioetanol depende en gran medida de la descomposición eficiente de la biomasa lignocelulósica para liberar azúcares fermentables. Los ultrasonidos favorecen este proceso de varias maneras:

• Mejora de la hidrólisis: El pretratamiento ultrasónico facilita la desintegración de las partículas vegetales y mejora la liberación de glucosa de la suspensión de maíz en las plantas de producción de etanol mediante molienda en seco.
• Estimulación de la fermentación: Se ha demostrado que los ultrasonidos estimulan la producción de etanol durante la sacarificación y fermentación simultáneas (SSF) de materiales como mezclas de papel de oficina desechado.
• Eficiencia de la extracción: Los ultrasonidos de alta potencia son eficaces para extraer componentes activos como el xilano y el heteroxilano de las mazorcas y las cubiertas del grano de maíz, así como para mejorar la extracción de aceite de la soja, lo que favorece cadenas de producción de base biológica más amplias.

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Biogás a partir de residuos y lodos

Los residuos orgánicos municipales, los lodos de depuradora, los purines y el estiércol sirven como fuentes de biogás. El tratamiento de estos materiales en digestores aerobios o anaerobios convierte el material orgánico en biogás. La desintegración del material orgánico mediante ultrasonidos antes de la digestión modifica la estructura del material y libera y activa enzimas. Esto mejora la digestión del material orgánico, lo que permite un tratamiento más rápido, una mayor producción de gas y una menor cantidad de lodos residuales. A su vez, esto aumenta la capacidad de los digestores existentes y reduce los costes de eliminación.

En la digestión anaerobia, el pretratamiento ultrasónico se utiliza para desintegrar la biomasa (como los lodos activados excedentes) y hacer que la materia orgánica sea más accesible para las bacterias.

• Mayor rendimiento de biogás: La sonicación ha demostrado su eficacia para aumentar la producción acumulada de biogás. Los estudios han registrado aumentos de la producción de biogás de entre el 26% y el 36% en comparación con los lodos sin tratar.
• Mejora de la reducción de sólidos: El tratamiento ultrasónico mejora la destrucción de sólidos volátiles (VS). Por ejemplo, la destrucción de VS puede aumentar del 30% al 35% o incluso más (hasta el 39%), en función de la carga orgánica y del aporte de energía.
• Integración en el tratamiento de aguas residuales: Los biosólidos de las plantas de tratamiento de aguas residuales urbanas e industriales, así como los de las propias plantas de biogás, pueden tratarse eficazmente con reactores ultrasónicos para optimizar el proceso de estabilización y recuperación de energía.

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La desintegración ultrasónica del estiércol animal antes de la digestión anaerobia mejora el rendimiento de biogás.

Balance energético de los ultrasonidos

Los procesos mencionados anteriormente no requieren mucha energía ultrasónica. En general, la energía adicional obtenida como resultado de la sonicación compensa la energía utilizada para generar los ultrasonidos. Los equipos ultrasónicos de Hielscher tienen una eficiencia global superior al 85%. Esto significa que más del 85% de la energía eléctrica se convierte en energía mecánica y se transmite al líquido. La demanda energética real de un proceso puede determinarse a pequeña escala utilizando un procesador ultrasónico de 1 kW a escala de laboratorio de sobremesa. Todos los resultados de estos ensayos de sobremesa pueden trasladarse fácilmente a una escala mayor. Hielscher suministra equipos industriales de procesamiento ultrasónico en todo el mundo. Con homogeneizadores ultrasónicos industriales de hasta 16 kW de potencia por sonicador, no hay límite para el tamaño de la planta ni para la capacidad de procesamiento.