Fermentación asistida por ultrasonidos para la producción de bioetanol

La fermentación asistida por ultrasonidos puede mejorar la producción de bioetanol al promover la descomposición de carbohidratos complejos en azúcares más simples, lo que los hace más fácilmente disponibles para que la levadura los convierta en etanol. Simultáneamente, la sonicación también mejora la eficiencia de la permeabilidad de la pared celular de la levadura, lo que permite una liberación más rápida del etanol y un aumento de la producción total. De este modo, la fermentación del bioetanol asistida por ultrasonidos da lugar a mayores tasas de conversión y mejores rendimientos.

Fermentación

La fermentación puede ser un proceso aeróbico (= fermentación oxidativa) o anaeróbico, que se utiliza en aplicaciones biotecnológicas para convertir materia orgánica mediante cultivos de bacterias, hongos u otras células biológicas o mediante enzimas. Mediante la fermentación, se extrae energía de la oxidación de compuestos orgánicos, por ejemplo, hidratos de carbono.
El azúcar es el sustrato más común de la fermentación, dando lugar tras ésta a productos como el ácido láctico, la lactosa, el etanol y el hidrógeno. En el caso de la fermentación alcohólica, el etanol -especialmente para su uso como combustible, pero también para bebidas alcohólicas. – se produce por fermentación. Cuando ciertas cepas de levadura, como Saccharomyces cerevisiae metabolizan el azúcar, las células de levadura convierten el material de partida en etanol y dióxido de carbono.

Las siguientes ecuaciones químicas resumen la conversión:

En la producción común de bioetanol, 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 de maíz, primero hay que convertir el almidón en azúcar. En el caso del bioetanol utilizado como combustible, es necesaria la hidrólisis para la conversión del almidón. Normalmente, la hidrólisis se acelera mediante un tratamiento ácido o enzimático o mediante la combinación de ambos. Normalmente, la fermentación se lleva a cabo a unos 35-40 °C.
Panorama de los distintos procesos de fermentación:

Alimentación :

  • Producción & conservación
  • lácteos (fermentación láctica), por ejemplo, yogur, suero de leche, kéfir
  • verduras de fermentación láctica, por ejemplo kimchi, miso, natto, tsukemono, chucrut
  • desarrollo de sustancias aromáticas, por ejemplo, salsa de soja
  • descomposición de agentes curtientes, por ejemplo, té, cacao, café, tabaco
  • bebidas alcohólicas, por ejemplo, cerveza, vino, whisky

Medicamentos :

  • producción de compuestos médicos, como insulina o ácido hialurónico

Biogás/etanol :

  • mejora de la producción de biogás/bioetanol

Diversos trabajos de investigación y pruebas en laboratorio y a escala piloto han demostrado que los ultrasonidos mejoran el proceso de fermentación al hacer que haya más biomasa disponible para la fermentación enzimática. En la siguiente sección se explicarán los efectos de los ultrasonidos 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 del tratamiento de líquidos por ultrasonidos

Los ultrasonidos de alta potencia y baja frecuencia permiten generar amplitudes elevadas. De este modo, los ultrasonidos de alta potencia/baja frecuencia pueden utilizarse para procesar líquidos, como mezclar, emulsionar, dispersar y desaglomerar, o moler.
Al sonicar líquidos a altas intensidades, las ondas sonoras que se propagan en el medio líquido dan lugar a ciclos alternos de alta presión (compresión) y baja presión (rarefacción), con velocidades que dependen de la frecuencia. Durante el ciclo de baja presión, las ondas ultrasónicas de alta intensidad crean pequeñas burbujas de vacío o vacíos en el líquido. Cuando las burbujas alcanzan un volumen en el que ya no pueden absorber energía, se colapsan violentamente durante un ciclo de alta presión. Este fenómeno se denomina cavitación. cavitaciónes decir “la formación, crecimiento y colapso implosivo de burbujas en un líquido. El colapso cavitacional produce un intenso calentamiento local (~5000 K), altas presiones (~1000 atm) y enormes velocidades de calentamiento y enfriamiento (>109 K/s)” y corrientes de chorro líquido (~400 km/h)". (Suslick 1998)

Estructura química del etanol

Fórmula estructural del etanol

Existen distintos medios para crear cavitación, como las boquillas de alta presión, los mezcladores rotor-estator o los 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 generador de cavitación en el líquido. La intensidad de la aceleración es uno de los factores más importantes que influyen en la transformación eficaz de la energía en cavitación. Una mayor aceleración crea mayores diferencias de presión. Esto, a su vez, aumenta la probabilidad de creación de burbujas de vacío en lugar de la creación de ondas que se propagan por el líquido. Así, 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. A mayor amplitud, mayor eficacia en la creación de cavitación. Además de la intensidad, el líquido debe acelerarse de forma que se produzcan pérdidas mínimas en términos de turbulencias, fricción y generación de ondas. Para ello, la forma óptima es una dirección unilateral del movimiento. Cambiando la intensidad y los parámetros del proceso de sonicación, los ultrasonidos pueden ser muy duros o muy suaves. Esto convierte a los ultrasonidos en 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 ultrasónico de laboratorio UP100H (100 vatios) para pruebas de viabilidad

Las aplicaciones suaves, que aplican una sonicación suave en condiciones suaves, incluyen desgasificación, Emulsióny la activación de enzimas. Las aplicaciones duras con ultrasonidos de alta intensidad/alta potencia (sobre todo a presión elevada) son molienda húmeda, desaglomeración & reducción del tamaño de las partículas, y Dispersión. Para muchas aplicaciones como Extraccióndesintegración o SonoquímicaLa intensidad ultrasónica requerida depende del material específico que se vaya a sonicar. Gracias a la variedad de parámetros, que pueden adaptarse al proceso individual, los ultrasonidos permiten encontrar el punto óptimo para cada proceso individual.
Además de una excelente conversión de potencia, la ultrasonicación ofrece la gran ventaja de un control total de 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. El resultado es una mayor eficacia y una eficiencia optimizada.

Ultrasonidos para mejorar los procesos de fermentación, explicado ejemplarmente con la producción de bioetanol

El bioetanol es un producto de la descomposición de biomasa o materia biodegradable de desecho por bacterias anaerobias o aerobias. El etanol producido se utiliza principalmente como biocombustible. Esto convierte al bioetanol en una alternativa renovable y respetuosa con el medio ambiente a los combustibles fósiles, como el gas natural.
Para producir etanol a partir de biomasa, se puede utilizar azúcar, almidón y material lignocelulósico como materia prima. Para el tamaño de la producción industrial, el azúcar y el almidón predominan actualmente por ser económicamente favorables.
El modo en que los ultrasonidos mejoran un proceso individual del cliente con una materia prima específica en unas condiciones determinadas puede comprobarse de forma muy sencilla mediante pruebas de viabilidad. En el primer paso, la sonicación de una pequeña cantidad de la suspensión de materia prima con un ultrasonido Dispositivo de laboratorio mostrará, si el ultrasonido afecta a la materia prima.

Estudios de viabilidad

En la primera fase de pruebas, es conveniente introducir una cantidad relativamente alta de energía ultrasónica en un volumen pequeño de líquido, ya que así aumenta la posibilidad de ver si se puede obtener algún resultado. Un volumen de muestra pequeño también acorta el tiempo de uso de un dispositivo de laboratorio y reduce los costes de las primeras pruebas.
Las ondas ultrasónicas se transmiten al líquido a través de la superficie del sonotrodo. Cerca de la superficie del sonotrodo, la intensidad de los ultrasonidos es máxima. Por ello, se prefieren distancias cortas entre el sonotrodo y el material sonicado. Cuando se expone un pequeño volumen de líquido, la distancia del sonotrodo puede mantenerse corta.
La tabla siguiente muestra los niveles típicos de energía/volumen para los procesos de sonicación tras la optimización. Dado que los primeros ensayos no se realizarán con la configuración óptima, la intensidad y el tiempo de sonicación de 10 a 50 veces el valor típico mostrarán si hay algún efecto en el material sonicado o no.

Proceso

Energía/

volumen

Volumen de la muestra

Potencia

Tiempo

simple

< 100 W/mL

10 ml

50W

< 20 segundos

Medio

De 100 W/mL a 500 W/mL

10 ml

50W

De 20 a 100 segundos

Duro

> 500 W/mL

10 ml

50W

>100 segundos

Cuadro 1 – Valores típicos de sonicación tras la optimización del proceso

La potencia de entrada real de las pruebas puede registrarse mediante el registro de datos integrado (UP200Ht y UP200St), interfaz de PC o por medidor de potencia. En combinación con los datos registrados de ajuste de amplitud y temperatura, se pueden evaluar los resultados de cada ensayo y establecer una línea de fondo para la energía/volumen.
Si durante las pruebas se ha elegido una configuración óptima, el rendimiento de esta configuración podría verificarse durante una etapa de optimización y, finalmente, podría escalarse a nivel comercial. Para facilitar la optimización, se recomienda encarecidamente examinar también los límites de la sonicación, por ejemplo, temperatura, amplitud o energía/volumen para formulaciones específicas. Dado que los ultrasonidos podrían generar efectos negativos en las células, los productos químicos o las partículas, es necesario examinar los niveles críticos de cada parámetro para limitar la siguiente optimización al rango de parámetros en el que no se observan efectos negativos. Para el estudio de viabilidad se recomiendan pequeñas unidades de laboratorio o de sobremesa para limitar los gastos de equipo y muestras en tales ensayos. Por lo general, las unidades de 100 a 1.000 vatios sirven muy bien para los fines del estudio de viabilidad. (cf. 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.

Cuadro 1 – Valores típicos de sonicación tras la optimización del proceso

optimización

Los resultados obtenidos durante los estudios de viabilidad pueden mostrar un consumo de energía bastante elevado en relación con el pequeño volumen tratado. Pero el objetivo de la prueba de viabilidad es principalmente mostrar los efectos de los ultrasonidos en el material. Si en las pruebas de viabilidad se produjeron efectos positivos, habrá que seguir trabajando para optimizar la relación energía/volumen. Esto significa explorar la configuración ideal de los parámetros de ultrasonidos para lograr el mayor rendimiento utilizando la menor energía posible para que el proceso sea económicamente más razonable y eficiente. Para encontrar la configuración óptima de los parámetros – la obtención de los beneficios previstos con un aporte energético mínimo - la correlación entre los parámetros más importantes amplitud, presión, temperatura y líquido de la composición. En este segundo paso se recomienda el cambio de la sonicación por lotes a una configuración de sonicación continua con reactor de celda de flujo, ya que en la sonicación por lotes no se puede influir en el importante parámetro de la presión. Durante la sonicación por lotes, la presión se limita a la presión ambiente. Si el proceso de sonicación pasa por una cámara de celda de flujo presurizable, la presión puede elevarse (o reducirse), lo que en general afecta a los ultrasonidos. cavitación drásticamente. El uso de una célula de flujo permite determinar la correlación entre la presión y la eficacia del proceso. 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

Escalado a producción comercial

Si se ha encontrado la configuración óptima, la ampliación posterior es sencilla, ya que los procesos ultrasónicos son totalmente reproducible a escala lineal. Esto significa que, cuando se aplican ultrasonidos a una formulación líquida idéntica bajo una configuración idéntica de los parámetros de procesado, se requiere la misma energía por volumen para obtener un resultado idéntico, independientemente de la escala de procesado. (Hielscher 2005). Esto permite aplicar la configuración óptima de los parámetros de los ultrasonidos al tamaño de producción a escala real. Prácticamente, el volumen que se puede procesar por ultrasonidos es ilimitado. Los sistemas comerciales de ultrasonidos con hasta 16.000 W por unidad y pueden instalarse en grupos. Estos grupos de procesadores ultrasónicos pueden instalarse en paralelo o en serie. Mediante la instalación de procesadores de ultrasonidos de alta potencia en grupos, la potencia total es casi ilimitada, por lo que se pueden procesar flujos de gran volumen sin problemas. Además, si es necesario adaptar el sistema de ultrasonidos, por ejemplo, para ajustar los parámetros a una formulación líquida modificada, la mayoría de las veces puede hacerse cambiando el sonotrodo, el amplificador o la celda de flujo. La escalabilidad lineal, la reproducibilidad y la adaptabilidad de los ultrasonidos hacen que esta tecnología innovadora sea eficaz y rentable.

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

Foto 3 - Procesador ultrasónico industrial UIP16000 con 16.000 vatios de potencia

Parámetros del tratamiento por ultrasonidos

El tratamiento de líquidos por ultrasonidos se describe mediante una serie de parámetros. Los más importantes son la amplitud, la presión, la temperatura, la viscosidad y la concentración. El resultado del proceso, como el tamaño de las partículas, para una configuración de parámetros determinada es una función de la energía por volumen procesado. La función cambia con las alteraciones de los parámetros individuales. Además, la potencia de salida real por área de superficie del sonotrodo de una unidad ultrasónica depende de los parámetros. La potencia de salida por superficie del sonotrodo es la intensidad superficial (I). La intensidad superficial 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 del tratamiento por ultrasonidos son la amplitud (A), la presión (p), el volumen del reactor (VR), la temperatura (T) y la viscosidad (η).

El impacto cavitacional del tratamiento por ultrasonidos depende de la intensidad superficial, que se describe mediante la 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 en la intensidad de la sonicación.

El impacto de la cavitación generada depende de la intensidad de la superficie. Del mismo modo, el resultado del proceso está correlacionado. La potencia total de salida de una unidad ultrasónica es el producto de la intensidad superficial (I) y el área superficial (S):

p [w] i [w / mm²]* s[mm²]

amplitud

La amplitud de oscilación describe el recorrido (por ejemplo, 50 µm) de la superficie del sonotrodo en un tiempo determinado (por ejemplo, 1/20.000s a 20kHz). Cuanto mayor sea la amplitud, mayor será la velocidad a la que la presión disminuye y aumenta en cada carrera. Además, el desplazamiento de volumen de cada golpe aumenta, lo que da lugar a un mayor volumen de cavitación (tamaño y/o número de burbujas). Cuando se aplican a dispersiones, las amplitudes más altas muestran una mayor destructividad de las partículas sólidas. La Tabla 1 muestra los valores generales para algunos procesos ultrasónicos.

The ultrasound amplitude is an important process parameter.

Cuadro 2 – Recomendaciones generales sobre 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 a la inversa. Una 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 (cf. Vercet et al. 1999). Dado que la potencia y la intensidad de los ultrasonidos cambian rápidamente con los cambios de presión, es preferible utilizar una bomba de presión constante. Cuando se suministra líquido a una celda de flujo, la bomba debe ser capaz de manejar el flujo específico de líquido a presiones adecuadas. Las bombas de diafragma o de membrana; las bombas de tubo flexible, de manguera o de compresión; las bombas peristálticas; o las bombas de pistón o émbolo crearán fluctuaciones alternas de presión. Son preferibles las bombas centrífugas, las bombas de engranajes, las bombas helicoidales y las bombas de cavidad progresiva que suministran el líquido a sonicar a una presión continuamente estable. (Hielscher 2005)

temperatura

Al sonicar un líquido, se transmite energía al medio. Como la oscilación generada por ultrasonidos provoca turbulencias y fricción, el líquido sonicado -de acuerdo con la ley de la termodinámica – se calentará. Las temperaturas elevadas del medio procesado pueden ser destructivas para el material y disminuir la eficacia de la cavitación ultrasónica. Las innovadoras celdas de flujo ultrasónicas están equipadas con una camisa de refrigeración (véase la imagen). De este modo, se consigue un control exacto de la temperatura del material durante el procesamiento por ultrasonidos. Para la sonicación de volúmenes más pequeños se recomienda un baño de hielo para disipar el 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 equipada con camisa de refrigeración - equipo típico para etapas de optimización o producción a pequeña escala

Viscosidad y concentración

A los Pulverizar y Dispersión son procesos líquidos. Las partículas tienen que estar en suspensión, por ejemplo, en agua, aceite, disolventes o resinas. El uso de sistemas de flujo ultrasónico permite sonicar materiales muy viscosos y pastosos.
El procesador ultrasónico de alta potencia puede funcionar con concentraciones de sólidos bastante elevadas. Una alta concentración proporciona la eficacia del procesamiento por ultrasonidos, ya que el efecto de molienda por ultrasonidos se debe a la colisión entre partículas. Las investigaciones han demostrado que la tasa de rotura de la sílice es independiente de la concentración de sólidos hasta el 50% en peso. El procesamiento de lotes maestros con una proporción de material altamente concentrada es un procedimiento de producción habitual mediante ultrasonidos.

Potencia e intensidad frente a energía

La intensidad superficial y la potencia total sólo describen la intensidad del tratamiento. Para describir un proceso de sonicación hay que tener en cuenta el volumen de la muestra sonicada y el tiempo de exposición a una intensidad determinada, con el fin de hacerlo escalable y reproducible. Para una configuración de parámetros determinada, el resultado del proceso, por ejemplo el tamaño de las partículas o la conversión química, dependerá de la energía por volumen (E/V).

Resultado F (E /V )

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

E[Ws] = p[w]*t[s]

Los cambios en la configuración de los parámetros modificarán la función de resultado. Esto, a su vez, variará la cantidad de energía (E) necesaria para un determinado valor de muestra (V) para obtener un valor de resultado específico. Por este motivo, no basta con aplicar una determinada potencia de ultrasonidos a un proceso para obtener un resultado. Se requiere un enfoque más sofisticado para identificar la potencia necesaria y la configuración de los parámetros a los que debe aplicarse la potencia en el material del proceso. (Hielscher 2005)

Producción de bioetanol asistida por ultrasonidos

Ya se sabe que los ultrasonidos mejoran la producción de bioetanol. Es recomendable espesar el líquido con biomasa hasta obtener una pasta muy viscosa que pueda bombearse. Los reactores ultrasónicos pueden manejar concentraciones de sólidos bastante elevadas para que el proceso de sonicación sea lo más eficiente posible. Cuanto más material contenga el lodo, menos líquido portador, que no se beneficiará del proceso de sonicación, será tratado. Como la entrada de energía en un líquido provoca un calentamiento del mismo por ley de la termodinámica, esto significa que la energía ultrasónica se aplica al material objetivo, en la medida de lo posible. Gracias a este eficiente diseño del proceso, se evita un calentamiento inútil del líquido portador sobrante.
Los ultrasonidos ayudan al Extracción del material intracelular y lo hace así disponible para la fermentación enzimática. Un tratamiento suave con ultrasonidos puede mejorar la actividad enzimática, pero para la extracción de biomasa se necesitarán ultrasonidos más intensos. Por lo tanto, las enzimas deben añadirse al lodo de biomasa después de la sonicación, ya que los ultrasonidos intensos inactivan las enzimas, lo que no es un efecto deseado.

Resultados actuales de la investigación científica:

Los estudios de Yoswathana et al. (2010) relativos a la producción de bioetanol a partir de paja de arroz han demostrado que la combinación de pretratamiento ácido y ultrasónico antes del tratamiento enzimático conduce a un aumento del rendimiento de azúcar de hasta el 44% (en base a paja de arroz). Esto demuestra la eficacia de la combinación de pretratamiento físico y químico antes de la hidrólisis enzimática del material lignocelulósico a azúcar.

El gráfico 2 ilustra gráficamente los efectos positivos de la irradiación ultrasónica durante la producción de bioetanol a partir de paja de arroz. (Se ha utilizado carbón vegetal para desintoxicar las muestras pretratadas a partir del pretratamiento ácido/enzimático y del pretratamiento ultrasónico).

La fermentación asistida por ultrasonidos da lugar a un rendimiento de etanol significativamente mayor. El bioetanol se ha producido a partir de paja de arroz.

Gráfico 2 – Mejora ultrasónica del rendimiento de etanol durante la fermentación (Yoswathana et al. 2010)

En otro estudio reciente, se ha examinado la influencia de la ultrasonicación en los niveles extracelulares e intracelulares de la enzima β-galactosidasa. Sulaiman et al. (2011) pudieron mejorar sustancialmente la productividad de la producción de bioetanol, utilizando ultrasonidos a temperatura controlada estimulando el crecimiento de la levadura Kluyveromyces marxianus (ATCC 46537). Los autores del trabajo resumen que la sonicación intermitente con ultrasonidos de potencia (20 kHz) a ciclos de trabajo de ≤20% estimuló la producción de biomasa, el metabolismo de la lactosa y la producción de etanol en K. marxianus a una intensidad de sonicación relativamente alta de 11,8Wcm-2. En las mejores condiciones, la sonicación aumentó la concentración final de etanol casi 3,5 veces con respecto al control. Esto equivale a multiplicar por 3,5 la productividad del etanol, pero la sonicación requiere 952 W de potencia adicional por metro cúbico de caldo. Esta necesidad adicional de energía estaba sin duda dentro de las normas de funcionamiento aceptables para los biorreactores y, en el caso de los productos de alto valor, podía compensarse fácilmente con el aumento de la productividad.

Conclusiones: Ventajas de la fermentación asistida por ultrasonidos

El tratamiento por ultrasonidos se ha revelado como una técnica eficaz e innovadora para mejorar el rendimiento del bioetanol. Principalmente, los ultrasonidos se utilizan para extraer material intracelular de la biomasa, como maíz, soja, paja, material lignocelulósico o residuos vegetales.

  • Aumento del rendimiento del bioetanol
  • Desinterización/ Destrucción celular y liberación de material intracelular
  • Mejora de la descomposición anaeróbica
  • Activación de enzimas por sonicación suave
  • Mejora de la eficacia del proceso mediante lodos de alta concentración

La sencillez de las pruebas, el escalado reproducible y la facilidad de instalación (también en flujos de producción ya existentes) hacen de los ultrasonidos una tecnología rentable y eficaz. Existen procesadores ultrasónicos industriales fiables para el procesamiento comercial que permiten sonicar volúmenes de líquido prácticamente ilimitados.

UIP1000hd Bench-Top Ultrasonic Homogenizer

Foto 4 - Instalación con procesador de ultrasonidos de 1000 W UIP1000hdCélula de flujo, depósito y bomba

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