Hielscher – Tecnología de Ultrasonidos

Fermentación asistida por ultrasonidos para la producción de bioetanol

Fermentación

La fermentación puede ser una aeróbica (= fermentación oxidativa) o proceso anaeróbico, que se utiliza para aplicaciones biotecnológicas para convertir material orgánico por otros cultivos de células biológica bacteriana, fúngica o o por enzimas. Por fermentación, la energía se extrae de la oxidación de compuestos orgánicos, por ejemplo, hidratos de carbono.

El azúcar es el sustrato más común de fermentación, dando como resultado después de la fermentación en productos tales como el ácido láctico, lactosa, etanol e hidrógeno. Para la fermentación alcohólica, etanol - especialmente para su uso como combustible, sino también para las bebidas alcohólicas – es producido por la fermentación. Cuando ciertas cepas de levadura, tales como Saccharomyces cerevisiae metabolizar el azúcar, las células de levadura convierten el material de partida en etanol y dióxido de carbono.

Las ecuaciones químicas a continuación resumen la conversión:

En la producción de bioetanol común, el azúcar se convierte por fermentación en ácido láctico, lactosa, etanol e hidrógeno.

Las ecuaciones químicas resumen la conversión al bioetanol.

Si el material de partida es almidón, por ejemplo, a partir de maíz, en primer lugar el almidón debe ser convertido en azúcar. Para bioetanol utilizado como combustible, se requiere hidrólisis para la conversión de almidón. Típicamente, la hidrólisis se acelera mediante tratamiento ácido o enzimática o por combinación de ambos. Normalmente, la fermentación se lleva a cabo a alrededor de 35-40 ° C.
Información general sobre varios procesos de fermentación:

Alimentación:

  • producción & preservación
  • productos lácteos (fermentación del ácido láctico), por ejemplo yogur, suero de leche, kéfir
  • lácticas vegetales fermentados, por ejemplo kimchi, miso, natto, tsukemono, chucrut
  • desarrollo de compuestos aromáticos, por ejemplo salsa de soja
  • descomposición de los agentes de curtido, por ejemplo té, cacao, café, tabaco
  • bebidas alcohólicas, por ejemplo, cerveza, vino, whisky

drogas:

  • producción de compuestos médicos, por ejemplo, insulina, ácido hialurónico

El biogás / Etanol:

  • mejora de biogás / producción de bioetanol

Varios trabajos de investigación y pruebas en banco de trabajo y tamaño piloto han demostrado que el ultrasonido mejora el proceso de fermentación, haciendo más biomasa disponible para la fermentación enzimática. En la siguiente sección, se elaboraron los efectos del ultrasonido en un líquido.

Los reactores de ultrasonidos aumentan la producción de biodiésel y la eficiencia del proceso.

Bioetanol puede producido de tallos de girasol, maíz, caña de azúcar etc.

Efectos de la Ultrasonic Liquid Processing

Por / ultrasonido de baja frecuencia de alta potencia amplitudes altas se pueden generar. De este modo, de alta potencia / ultrasonido de baja frecuencia se puede utilizar para el tratamiento de líquidos, tales como mezclado, emulsionantes, dispersantes y desaglomeración, o fresado.
Cuando sonicación de líquidos a altas intensidades, las ondas sonoras que se propagan en el medio líquido resultan en alterna de alta presión (compresión) y ciclos de baja presión (rarefacción), con tasas en función de la frecuencia. Durante el ciclo de baja presión, ondas ultrasónicas de alta intensidad crean pequeñas burbujas de vacío o huecos en el líquido. Cuando las burbujas alcanzan un volumen en el que ya no pueden absorber la energía, se colapsan violentamente durante un ciclo de alta presión. Este fenómeno se denomina cavitación. La cavitación, es decir “la formación, el crecimiento y colapso implosiva de burbujas en un líquido. colapso de cavitación produce fuerte calentamiento local (~ 5000 K), las presiones altas (~ 1,000 atm), y calefacción enorme y velocidades de enfriamiento (>109 K/s)” y corrientes de chorro de líquido (~ 400 kmh)”. (Suslick 1998)

Estructura química de etanol

Fórmula estructural del etanol

Existen diferentes medios para crear cavitación, como boquillas de alta presión, mezcladores de estator-rotor o procesadores ultrasónicos. En todos esos sistemas, la energía de entrada se transforma en fricción, turbulencias, ondas y cavitación. La fracción de la energía de entrada que se transforma en cavitación depende de varios factores que describen el movimiento del equipo de generación de cavitación en el líquido. La intensidad de la aceleración es uno de los factores más importantes que influyen en la transformación eficiente de la energía en cavitación. Una mayor aceleración crea mayores diferencias de presión. Esto a su vez aumenta la probabilidad de la creación de burbujas de vacío en lugar de la creación de ondas que se propagan a través del líquido. Por lo tanto, cuanto mayor es la aceleración, mayor es la fracción de la energía que se transforma en cavitación.
En el caso de un transductor ultrasónico, la amplitud de oscilación describe la intensidad de la aceleración. amplitudes más altas dan como resultado una creación más eficaz de la cavitación. Además de la intensidad, el líquido debe ser acelerada en una manera de crear pérdidas mínimas en términos de turbulencias, la fricción y la generación de ondas. Para ello, la mejor manera es una dirección unilateral de movimiento. Cambio de la intensidad y los parámetros del proceso de tratamiento con ultrasonidos, ultrasonido puede ser muy difícil o muy suave. Esto hace que la ecografía una herramienta muy versátil para diversas aplicaciones.
Compact and powerful ultrasonic lab devices allow for simple testings in small scale to evaluate process feasibility

Foto 1 – dispositivo de laboratorio de ultrasonidos UP100H (100 vatios) para las pruebas de viabilidad

aplicaciones suaves, aplicando sonicación suave en condiciones suaves, incluyen desgasificación, emulsión, Y la activación de la enzima. aplicaciones duros con alta intensidad / ultrasonido de alta potencia (en su mayoría a presión elevada) son molienda húmeda, desaglomeración & reducción de tamaño de partícula, y dispersión. Para muchas aplicaciones, tales como extracción, Desintegración o sonoquímica, La intensidad ultrasónica requerida depende del material específico que se trató con ultrasonidos. Por la variedad de parámetros, que se puede adaptar al proceso individual, ultrasonido permite encontrar el punto dulce para cada proceso individual.
Además de una conversión de potencia excepcional, ultrasonidos ofrece la gran ventaja de un control total sobre los parámetros más importantes: Amplitud, presión, temperatura, viscosidad y concentración. Esto ofrece la posibilidad de ajustar todos estos parámetros con el objetivo de encontrar los parámetros de procesamiento ideales para cada material específico. Esto se traduce en una mayor efectividad, así como en eficiencia optimizada.

Ultrasonido para mejorar los procesos de fermentación, se explica a modo de ejemplo con la producción de bioetanol

El bioetanol es un producto de la descomposición de la biomasa o la materia biodegradable de los residuos por bacterias anaeróbicas o aeróbicas. El etanol producido se utiliza principalmente como biocombustible. Esto hace bioetanol una alternativa renovable y amigable con el medio ambiente de los combustibles fósiles, como el gas natural.
Para producir etanol a partir de biomasa, el azúcar, el almidón, y el material lignocelulósico puede ser utilizado como materia prima. Para el tamaño de la producción industrial, el azúcar y el almidón son actualmente predominante, ya que son económicamente favorable.
Cómo el ultrasonido mejora un proceso de cliente individual con materia prima específica en determinadas condiciones puede ser tratado de forma muy sencilla mediante ensayos de viabilidad. En primer paso, el tratamiento con ultrasonidos de una pequeña cantidad de la suspensión de materia prima con un ultrasónica Dispositivo de laboratorio mostrará, si el ultrasonido afecta a la materia prima.

Estudios de viabilidad

En la primera fase de prueba, que es adecuado para introducir una cantidad relativamente alta de energía ultrasónica en un pequeño volumen de líquido como de ese modo aumenta la oportunidad de ver si se puede obtener ningún resultado. Un volumen de muestra pequeño también acorta el tiempo usando un dispositivo de laboratorio y reduce los costos para las primeras pruebas.
Las ondas de ultrasonido son transmitidas por la superficie del sonotrodo en el líquido. Beneth la superficie sonotrodo, la intensidad de ultrasonido es más intensa. De este modo, se prefieren las distancias cortas entre sonotrodo y el material sonicado. Cuando se expone un pequeño volumen de líquido, la distancia desde el sonotrodo puede mantenerse corto.
La siguiente tabla muestra los niveles típicos de energía / volumen para procesos de sonicación después de la optimización. Desde los primeros ensayos no se llevará a cabo en la configuración óptima, la intensidad de la sonicación y el tiempo de 10 a 50 veces el valor típico mostrará si hay algún efecto al material sonicado o no.

Proceso

Energía/

Volumen

Volumen de la muestra

Potencia

Hora

Sencillo

< 100Ws / mL

10 ml

50W

< 20 seg

Medio

100Ws / ml a 500WS / mL

10 ml

50W

20 a 100 sec

Difícil

> 500WS / mL

10 ml

50W

>100 seg

tabla 1 – valores de sonicación típicos después de la optimización de procesos

La entrada de energía real de las pruebas de funcionamiento se puede grabar a través de la grabación de datos integrada (UP200Ht y UP200St), PC-interfaz o por powermeter. En combinación con los datos registrados de ajuste de amplitud y de la temperatura, los resultados de cada ensayo se pueden evaluar y una línea de fondo para la energía / volumen puede ser establecida.
Si durante las pruebas se ha elegido una configuración óptima, este rendimiento de configuración podría verificarse durante un paso de optimización y podría finalmente ampliarse hasta el nivel comercial. Para facilitar la optimización, es muy recomendable examinar los límites de sonicación, por ejemplo, temperatura, amplitud o energía / volumen para formulaciones específicas. Como el ultrasonido podría generar efectos negativos para las células, los productos químicos o las partículas, los niveles críticos para cada parámetro deben examinarse para limitar la siguiente optimización al rango de parámetros donde no se observan los efectos negativos. Para el estudio de viabilidad, se recomiendan las unidades pequeñas de laboratorio o de mesa para limitar los gastos de equipos y muestras en dichos ensayos. Generalmente, las unidades de 100 a 1,000 vatios sirven muy bien para los propósitos del estudio de factibilidad. (Hielscher 2005)

Ultrasonic processes are easy to optimize and to scale up. This turns ultrasonication into an highly potential processing alternative to high pressure homogenizers, pearl and bead mills or three-roll mills.

tabla 1 – valores de sonicación típicos después de la optimización de procesos

Mejoramiento

Los resultados obtenidos durante los estudios de viabilidad pueden mostrar un consumo muy alto de energía en relación con el pequeño volumen tratado. Pero el propósito de la prueba de viabilidad es principalmente para mostrar los efectos del ultrasonido en el material. Si en la prueba de viabilidad se produjo efectos positivos, se deben hacer más esfuerzos para optimizar la relación de energía / volumen. Esto significa para explorar la configuración ideal de los parámetros de ultrasonido para lograr el más alto rendimiento usando menos energía posible para hacer el proceso económicamente más razonable y eficiente. Para encontrar la configuración de los parámetros óptimos – la obtención de los beneficios previstos con entrada de energía mínima - la correlación entre los parámetros más importantes amplitud, presión, temperatura y líquido composición tiene que ser investigado. En este segundo paso se recomienda el cambio de sonicación por lotes a una configuración de sonicación en continuo con reactor celda de flujo como el parámetro importante de la presión no puede ser influenciado por sonicación por lotes. Durante la sonicación en un lote, la presión se limita a la presión ambiente. Si el proceso de sonicación pasa una cámara de celda de flujo presurizable, la presión puede ser elevada (o reducido), que en general afecta al ultrasónica cavitación drásticamente. Mediante el uso de una celda de flujo, la correlación entre la presión y la eficiencia del proceso se puede determinar. procesadores ultrasónicos entre 500 W y 2000 W de potencia son los más adecuados para optimizar un proceso.

Fully controllable ultrasonic equipment allows for process optimization and completely linear scale-up

Imagen 2 - Diagrama de flujo para la optimización de un proceso ultrasónico

Scale-up a la producción comercial

Si se ha encontrado la configuración óptima, la mayor escala-up es simple como procesos ultrasónicos son totalmente reproducible en una escala lineal. Esto significa que, cuando se aplica ultrasonido a una formulación líquida idéntica bajo una configuración de parámetros de procesamiento idéntica, se requiere la misma energía por volumen para obtener un resultado idéntico independientemente de la escala de procesamiento. (Hielscher 2005). Eso hace posible implementar la configuración de parámetros óptima de ultrasonido para el tamaño de producción a escala completa. Prácticamente, el volumen que puede procesarse ultrasónicamente es ilimitado. Sistemas ultrasónicos comerciales con hasta 16.000 W por unidad están disponibles y se pueden instalar en racimos. Tales grupos de procesadores ultrasónicos pueden ser instalados en paralelo o en serie. Por la instalación del clúster-racional de los procesadores de ultrasonidos de alta potencia, la potencia total es casi ilimitado de manera que las corrientes de alto volumen se pueden procesar sin problema. Además, si se requiere una adaptación del sistema de ultrasonidos, por ejemplo, para ajustar los parámetros a una formulación líquida modificada, esto se puede hacer cambiando mayormente sonotrodo, aumentador de presión o célula de flujo. La escalabilidad lineal, la reproducibilidad y la adaptabilidad de ultrasonido hacen de esta innovadora tecnología eficiente y rentable.

16kW ultrasonic machine for industrial processing of large volume streams, e.g. biodiesel, bioethanol, nano particle processing and manifold other applications.

Imagen 3 - procesador ultrasónico Industrial UIP16000 16.000 vatios de potencia con

Parámetros de procesamiento ultrasónico

El procesamiento ultrasónico de líquidos se describe mediante una serie de parámetros. Lo más importante es la amplitud, presión, temperatura, viscosidad y concentración. El resultado del proceso, como el tamaño de partícula, para una configuración de parámetro dada es una función de la energía por volumen procesado. La función cambia con alteraciones en los parámetros individuales. Además, la salida de potencia real por área de superficie del sonotrodo de una unidad ultrasónica depende de los parámetros. La potencia de salida por área de superficie del sonotrodo es la intensidad de la superficie (I). La intensidad de la superficie depende de la amplitud (A), la presión (p), el volumen del reactor (VR), la temperatura (T), la viscosidad (η) y otros.

Los parámetros más importantes de procesamiento ultrasónico incluyen amplitud (A), la presión (p), el volumen del reactor (VR), la temperatura (T), y la viscosidad (η).

El impacto cavitacional de procesamiento de ultrasonidos depende de la intensidad superficie que está decribed por amplitud (A), la presión (p), el volumen del reactor (VR), la temperatura (T), la viscosidad (η) y otros. Los signos más y menos indican una influencia positiva o negativa del parámetro específico de la intensidad de sonicación.

El impacto de la cavitación generada depende de la intensidad superficie. De la misma manera, el resultado se correlaciona proceso. La potencia de salida total de una unidad de ultrasonidos es el producto de la intensidad de la superficie (I) y el área superficial (S):

PAG [W] yo [W / mm²] * S[mm²]

Amplitud

La amplitud de la oscilación describe la forma (por ejemplo 50 m) de la superficie sonotrodo viaja en un tiempo dado (por ejemplo, 1 / 20,000s a 20 kHz). Cuanto mayor es la amplitud, mayor es la velocidad a la que los disminuye la presión y aumenta a cada golpe. Además de eso, el desplazamiento de volumen de cada carrera de aumentos resultantes en un volumen mayor cavitación (tamaño de las burbujas y / o número). Cuando se aplica a dispersiones, amplitudes más altas muestran una destrucción superior para partículas sólidas. La Tabla 1 muestra los valores generales para algunos procesos ultrasónicos.

The ultrasound amplitude is an important process parameter.

Tabla 2 – Recomendaciones generales para amplitudes

Presión

El punto de ebullición de un líquido depende de la presión. Cuanto mayor es la presión, mayor es el punto de ebullición y viceversa. La presión elevada permite la cavitación a temperaturas cercanas o superiores al punto de ebullición. También aumenta la intensidad de la implosión, que está relacionada con la diferencia entre la presión estática y la presión de vapor dentro de la burbuja (véase Vercet et al., 1999). Como la potencia y la intensidad ultrasónicas cambian rápidamente con los cambios de presión, es preferible una bomba de presión constante. Cuando se suministra líquido a una celda de flujo, la bomba debe ser capaz de manejar el flujo de líquido específico a presiones adecuadas. Bombas de diafragma o membrana; bombas de tubo flexible, de manguera o de compresión; bombas peristálticas; o una bomba de émbolo o pistón creará fluctuaciones de presión alternas. Se prefieren las bombas centrífugas, las bombas de engranajes, las bombas en espiral y las bombas de cavidad progresiva que suministran el líquido a sonicar a una presión continuamente estable. (Hielscher 2005)

Temperatura

Por sonicación de un líquido, la potencia se transmite en el medio. Como oscilación generada ultrasónicamente provoca turbulencias y fricción, el líquido se sometió a ultrasonidos - de acuerdo con la ley de la termodinámica – se calentará. Las temperaturas elevadas del medio de procesado pueden ser destructivos para el material y disminuir la eficacia de la cavitación ultrasónica. células de flujo ultrasónicos innovadoras están equipados con una camisa de refrigeración (ver foto). Por eso, se le da el control exacto sobre la temperatura del material durante el procesamiento ultrasónico. Para la sonicación vaso de precipitados de volúmenes más pequeños se recomienda un baño de hielo para la disipación de calor.

Picture 3 – Ultrasonic transducer UIP1000hd (1000 watts) with flow cell equipped with cooling jacket – typical equipment for optimization steps or small scale production

Imagen 3 - transductor ultrasónico UIP1000hd (1000 vatios) con celda de flujo equipado con camisa de refrigeración - equipo típico para pasos de optimización o producción a pequeña escala

La viscosidad y la Concentración

A los pulverización y dispersión son procesos líquidos. Las partículas tienen que estar en una suspensión, por ejemplo, En el agua, aceite, disolventes o resinas. Por el uso de sistemas de flujo a través de ultrasonidos, se hace posible someter a ultrasonidos material muy viscoso, pastoso.
procesador de ultrasonidos de alta potencia se puede ejecutar en concentraciones bastante altas en sólidos. Una alta concentración proporciona la eficacia de proceso ultrasónico, como efecto de molienda ultrasónica es causada por la colisión entre partículas. Las investigaciones han demostrado que la tasa de rotura de la sílice es independiente de la concentración de sólidos de hasta 50% en peso. El procesamiento de los lotes maestros con la relación de material altamente concentrado es un procedimiento de producción común el uso de ultrasonidos.

Potencia e Intensidad de Energía vs.

la intensidad de la superficie y la potencia total no sólo describen la intensidad de procesamiento. El volumen de muestra se sometió a ultrasonidos y el tiempo de exposición a cierta intensidad tienen que ser considerados para describir un proceso de sonicación con el fin de hacer que sea escalable y reproducible. Para una configuración de parámetro dado el resultado del proceso, por ejemplo, tamaño de partícula o de conversión química, dependerán de la energía por volumen (E / V).

resultado = F (mi /V )

Cuando la energía (E) es el producto de la potencia de salida (P) y el tiempo de exposición (t).

mi[ws] = PAG[W] *t[s]

Los cambios en la configuración de los parámetros cambiarán la función de resultado. Esto a su vez variar la cantidad de energía (E) que se requieren para un valor de muestra dado (V) para obtener un valor de resultado específico. Por esta razón no es suficiente para desplegar un cierto poder de ultrasonido a un proceso para obtener un resultado. Se requiere un enfoque más sofisticado para identificar la potencia requerida y la configuración de parámetros en el que la potencia se debe poner en el material de proceso. (Hielscher 2005)

Asistida por ultrasonidos Producción de bioetanol

Ya se sabe que el ultrasonido mejora la producción de bioetanol. Es recomendable para espesar el líquido con la biomasa a una suspensión muy viscosa que es todavía bombeable. reactores de ultrasonidos pueden manejar altas concentraciones de sólidos bastante altas para que el proceso de sonicación se puede ejecutar más eficiente. El material más está contenida en la suspensión, menos líquido portador, que no se beneficiará del proceso de sonicación, será tratada. Como el aporte de energía en un líquido provoca un calentamiento del líquido por la ley de la termodinámica, esto significa que la energía ultrasónica se aplica al material objetivo, en la medida de lo posible. Por un diseño tal proceso eficiente, se evita un calentamiento derrochador del exceso de líquido portador.
El ultrasonido ayuda a la extracción del material intracelular y hace que sea por lo tanto disponible para la fermentación enzimática. tratamiento de ultrasonido leve puede mejorar la actividad enzimática, pero para la extracción de biomasa será necesaria más intenso ultrasonido. Por lo tanto, las enzimas deben añadirse a la suspensión de la biomasa después de la sonicación tan intensa ultrasonido inactiva las enzimas, que es un efecto no deseado.

Los resultados actuales obtenidos por la investigación científica:

Los estudios de Yoswathana et al. (2010) en relación con la producción de bioetanol a partir de paja de arroz han demostrado que la combinación de pre-tratamiento con ácido y por ultrasonidos antes de plomo tratamiento enzimático a un mayor rendimiento de azúcar de hasta 44% (en el arroz base paja). Esto demuestra la eficacia de la combinación de pretratamiento física y química antes de la hidrólisis enzimática de material lignocelulósico a azúcar.

Tabla 2 ilustra los efectos positivos de la irradiación ultrasónica durante la producción de bioetanol a partir de paja de arroz gráficamente. (Carbón se ha utilizado para desintoxicar las muestras pretratadas de pretratamiento con ácido / enzima y el pretratamiento ultrasónico.)

Los resultados de la fermentación de ultrasonidos asistida en un rendimiento significativo de etanol superior. El bioetanol se ha producido a partir de la paja de arroz.

Tabla 2 – mejora de ultrasonidos de rendimiento de etanol durante la fermentación (Yoswathana et al. 2010)

En otro estudio reciente, la influencia de los ultrasonidos en el la los niveles intracelulares de la enzima β-galactosidasa extracelular y se ha examinado. Sulaiman et al. (2011) podría mejorar la productividad de la producción de bioetanol sustancialmente, mediante ultrasonidos a una temperatura controlada estimular el crecimiento de la levadura de Kluyveromyces marxianus (ATCC 46537). Los autores del artículo reanuda que la sonicación intermitente con ultrasonidos de potencia (20 kHz) en ciclos de trabajo de ≤20% estimulaban la producción de biomasa, el metabolismo de la lactosa y la producción de etanol en K. marxianus con una intensidad relativamente alta sonicación de 11.8Wcm-2. En las mejores condiciones, sonicación aumentó la concentración final de etanol en cerca de 3,5 veces en relación con el control. Esto correspondía a una mejora de 3,5 veces en la productividad de etanol, pero requiere 952W de potencia de entrada adicional por metro cúbico de caldo a través de sonicación. Este requisito adicional para la energía era ciertamente dentro de las normas operativas aceptables para biorreactores y, para los productos de alto valor, puede ser fácilmente compensada por el aumento de la productividad.

Conclusión: Los beneficios procedentes de la fermentación asistida por ultrasonido

El tratamiento ultrasónico se ha mostrado como una técnica eficaz e innovador para mejorar el rendimiento de bioetanol. Principalmente, el ultrasonido se utiliza para extraer material intracelular a partir de biomasa, tales como maíz, soja, paja, material lignocelulósico o materiales de desecho vegetal.

  • Aumento de rendimiento bioetanol
  • Disinteration / Distruction celular y liberación de material intra-celular
  • descomposición anaeróbica mejorada
  • La activación de enzimas por sonicación suave
  • Mejora de la eficiencia del proceso mediante suspensiones de alta concentración

La prueba simple, reproducible, la ampliación y la facilidad de instalación (también en las corrientes de producción ya existentes) hace ultrasonidos una tecnología rentable y eficiente. procesadores ultrasónicos industriales fiables para el procesamiento comercial están disponibles y hacen posible sonicar volúmenes de líquido prácticamente ilimitadas.

UIP1000hd Bench-Top Ultrasonic Homogenizer

Picure 4 - programa de instalación con procesador ultrasónico 1000W UIP1000hd, La celda de flujo, el tanque y la bomba de

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Literatura/Referencias

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