Hielscher – Tecnología de Ultrasonidos

Fermentación asistida por ultrasonidos para la producción de bioetanol

Fermentación

La fermentación puede ser aeróbica (= fermentación oxidativa) o anaeróbica, que se utiliza en aplicaciones biotecnológicas para convertir materia orgánica en cultivos celulares bacterianos, fúngicos u otros cultivos celulares biológicos o por enzimas. Por fermentación, la energía se extrae de la oxidación de los compuestos orgánicos, por ejemplo, los carbohidratos.

El azúcar es el sustrato más común de la fermentación, resultando después de la fermentación en productos como el ácido láctico, la lactosa, el etanol y el hidrógeno. Para la fermentación alcohólica, etanol, especialmente para su uso como combustible, pero también para bebidas alcohólicas. – se produce por 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 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, en primer lugar el almidón debe convertirse en azúcar. En el caso del bioetanol utilizado como combustible, se requiere hidrólisis para la conversión del almidón. Típicamente, la hidrólisis es acelerada por un tratamiento ácido o enzimático o por una combinación de ambos. Normalmente, la fermentación se realiza a unos 35-40 °C.
Visión general de los diferentes procesos de fermentación:

Comida :

  • Producción & preservación
  • Lácteos (fermentación con ácido láctico), p. ej. yogur, suero de mantequilla, kéfir.
  • hortalizas fermentadas lácticas, por ejemplo, kimchi, miso, natto, tsukemono, sauerkraut
  • desarrollo de aromáticos, por ejemplo, salsa de soja
  • descomposición de los agentes curtientes, por ejemplo, té, cacao, café, tabaco
  • bebidas alcohólicas, por ejemplo, cerveza, vino, whisky

Drogas

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

Biogás/ Etanol :

  • mejora de la producción de biogás/bioetanol

Varios trabajos de investigación y pruebas en banco y tamaño piloto han demostrado que el ultrasonido mejora el proceso de fermentación al hacer que haya más biomasa disponible para la fermentación enzimática. En el siguiente apartado se elaborarán 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 del procesamiento de líquidos por ultrasonido

Mediante ultrasonidos de alta potencia y baja frecuencia se pueden generar grandes amplitudes. De esta manera, el ultrasonido de alta potencia/baja frecuencia puede ser utilizado para el procesamiento de líquidos tales como mezclado, emulsión, dispersión y desaglomeración, o molienda.
Al sonar líquidos a altas intensidades, las ondas sonoras que se propagan en el medio líquido dan lugar a ciclos alternados de alta presión (compresión) y baja presión (rarefacción), con tasas 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 al que ya no pueden absorber energía, 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 tasas de calentamiento y enfriamiento (>109 K/s)” y corrientes de chorro de líquido (~400 km/h)". (Suslick 1998)

Estructura química del etanol

Fórmula estructural del etanol

Existen diferentes medios para crear cavitación, tales como boquillas de alta presión, mezcladores rotor-estator 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 generador 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 creación de burbujas de vacío en lugar de la creación de ondas que se propagan a través del 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 la oscilación describe la intensidad de la aceleración. Las amplitudes más altas resultan en una creación más efectiva de cavitación. Además de la intensidad, el líquido debe acelerarse de manera que se creen pérdidas mínimas en términos de turbulencias, fricción y generación de olas. Para ello, el camino óptimo es una dirección unilateral de movimiento. Cambiando la intensidad y los parámetros del proceso de sonicación, el ultrasonido puede ser muy duro o muy suave. Esto hace del ultrasonido una herramienta muy versátil para varias aplicaciones.
Compact and powerful ultrasonic lab devices allow for simple testings in small scale to evaluate process feasibility

Figura 1 – Dispositivo ultrasónico de laboratorio UP100H (100 vatios) para pruebas de viabilidad

Las aplicaciones suaves, aplicando sonicación suave bajo condiciones suaves, incluyen desgasificación, emulsióny activación enzimática. Las aplicaciones difíciles con ultrasonido de alta intensidad/alto poder (mayormente bajo presión elevada) son molienda húmeda, desaglomeración & reducción del tamaño de las partículas, y Dispersión. Para muchas aplicaciones como extraccióndesintegración o Sonoquímicala intensidad ultrasónica solicitada depende del material específico que se vaya a sondear. Por la variedad de parámetros, que se pueden adaptar al proceso individual, el ultrasonido permite encontrar el punto óptimo para cada proceso individual.
Además de una conversión de potencia excepcional, la ultrasonicación 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 resulta en una mayor eficacia, así como en una eficiencia optimizada.

Ultrasonidos para mejorar los procesos de fermentación, explicados de forma ejemplar con la producción de bioetanol

El bioetanol es un producto de la descomposición de biomasa o materia biodegradable de residuos por bacterias anaerobias o aerobias. El etanol producido se utiliza principalmente como biocombustible. Esto hace del bioetanol una alternativa renovable y respetuosa con el medio ambiente para los combustibles fósiles, como el gas natural.
Para producir etanol a partir de biomasa, se puede utilizar como materia prima azúcar, almidón y material lignocelulósico. Para el tamaño de la producción industrial, el azúcar y el almidón son actualmente predominantes, ya que son económicamente favorables.
La forma en que el ultrasonido mejora un proceso individualizado para el cliente con una materia prima específica bajo condiciones dadas puede ser probada muy fácilmente mediante pruebas de factibilidad. En el primer paso, la sonicación de una pequeña cantidad de lechada de materia prima con un sistema de ultrasonidos. Dispositivo de laboratorio si el ultrasonido afecta a la materia prima.

Estudios de viabilidad

En la primera fase de prueba, es conveniente introducir una cantidad relativamente alta de energía ultrasónica en un pequeño volumen de líquido, ya que de este modo aumenta la posibilidad de ver si se pueden obtener resultados. Un pequeño volumen de muestra también acorta el tiempo de uso de un dispositivo de laboratorio y reduce los costes de las primeras pruebas.
Las ondas de ultrasonido son transmitidas por la superficie del sonotrodo al líquido. Beneth, la superficie del sonotrodo, la intensidad del ultrasonido es la más intensa. Por lo tanto, se prefieren distancias cortas entre el sonotrodo y el material sonicado. Cuando se expone un pequeño volumen de líquido, la distancia desde el sonotrodo puede mantenerse corta.
La siguiente tabla muestra los niveles típicos de energía/volumen para los procesos de sonicación después de la optimización. Dado que las primeras pruebas 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/

envergadura

Volumen de la muestra

Potencia

momento

Simple

< 100Ws/mL

10 ml

50W

< 20 seg

Mediano

100Ws/mL a 500Ws/mL

10 ml

50W

20 a 100 seg.

Duro

> 500Ws/mL

10 ml

50W

>100 seg

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

La potencia de entrada real de las pruebas de funcionamiento se puede registrar a través de un registro de datos integrado (UP200Ht y UP200St), interfaz PC o por potenciómetro. En combinación con los datos registrados de ajuste de amplitud y temperatura, se pueden evaluar los resultados de cada ensayo y se puede establecer un resultado final para la energía/volumen.
Si durante las pruebas se ha elegido una configuración óptima, este rendimiento de la configuración podría verificarse durante un paso de optimización y finalmente escalarse hasta el nivel comercial. Para facilitar la optimización, es muy recomendable examinar los límites de la sonicación, por ejemplo, la temperatura, la amplitud o la energía/volumen para formulaciones específicas también. Como el ultrasonido puede generar efectos negativos en las células, productos químicos o partículas, es necesario examinar los niveles críticos para cada parámetro con el fin de limitar la siguiente optimización al rango del parámetro donde no se observan los efectos negativos. Para el estudio de viabilidad se recomiendan pequeñas unidades de laboratorio o de mesa para limitar los gastos de equipo y muestras en dichos ensayos. En general, las unidades de 100 a 1.000 vatios sirven muy bien a los propósitos del estudio de factibilidad. (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 después de 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 propósito de la prueba de factibilidad es principalmente mostrar los efectos del ultrasonido en el material. Si en las pruebas de viabilidad se producen efectos positivos, se deben realizar esfuerzos adicionales para optimizar la relación energía/volumen. Esto significa explorar la configuración ideal de los parámetros de ultrasonido para lograr el mayor rendimiento utilizando la menor cantidad de energía posible para hacer que el proceso sea económicamente más razonable y eficiente. Para encontrar la configuración óptima de los parámetros – obtener los beneficios deseados con un consumo mínimo de energía - la correlación entre los parámetros más importantes amplitud, presión, temperatura y líquido la composición de la población. 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 el importante parámetro de presión no puede ser influenciado para la sonicación por lotes. Durante la sonicación en un lote, 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 ser elevada (o reducida), lo que en general afecta al sistema de ultrasonido. cavitación drásticamente. Utilizando una celda de flujo, se puede determinar la correlación entre la presión y la eficiencia 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

Ampliación a la producción comercial

Si se ha encontrado la configuración óptima, el escalado posterior es sencillo, ya que los procesos ultrasónicos son totalmente reproducible en una escala lineal. Esto significa que cuando el ultrasonido se aplica 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). Esto permite implementar la configuración óptima de los parámetros de ultrasonido para el tamaño de producción a escala real. Virtualmente, el volumen que puede ser procesado ultrasónicamente es ilimitado. Sistemas de ultrasonidos comerciales con hasta 16.000 W por unidad están disponibles y pueden ser instalados en clusters. Estos grupos de procesadores ultrasónicos pueden instalarse en paralelo o en serie. Gracias a la instalación de procesadores ultrasónicos de alta potencia por clúster, la potencia total es casi ilimitada, de modo que los flujos de gran volumen pueden procesarse sin problemas. También si se requiere una adaptación del sistema ultrasónico, por ejemplo, para ajustar los parámetros a una formulación líquida modificada, esto puede hacerse principalmente cambiando el sonotrodo, el amplificador o la célula de flujo. La escalabilidad lineal, la reproducibilidad y la adaptabilidad del ultrasonido hacen que esta innovadora tecnología sea 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 con 16.000 vatios de potencia

Parámetros del procesamiento ultrasónico

El procesamiento 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 dada es una función de la energía por volumen procesado. La función cambia con la modificación de parámetros individuales. Además, la potencia real por superficie del sonotrodo de una unidad de ultrasonidos 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), presión (p), volumen del reactor (VR), temperatura (T), viscosidad (η) y otros.

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

El impacto cavitacional del procesamiento ultrasónico depende de la intensidad de la superficie que es descrita por la amplitud (A), la presión (p), el volumen del reactor (VR), la temperatura (T), la viscosidad (η) y otros. Los signos positivo y negativo indican una influencia positiva o negativa del parámetro específico en la intensidad de sonicación.

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

P [W] I [W / mm²]* s[mm²]

envergadura

La amplitud de la oscilación describe la forma en que la superficie del sonotrodo viaja en un tiempo determinado (por ejemplo, 1/20,000 s a 20kHz). Cuanto mayor es la amplitud, mayor es la velocidad a la que la presión disminuye y aumenta en cada carrera. Además de eso, el desplazamiento del volumen de cada golpe aumenta, resultando en un mayor volumen de cavitación (tamaño de la burbuja y/o número). Cuando se aplica a las dispersiones, las amplitudes más altas muestran una mayor destructividad a 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 para las amplitudes

Presión

El punto de ebullición de un líquido depende de la presión. Cuanto más alta es la presión, más alto es el punto de ebullición, y al revés. 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 (cf. Vercet et al. 1999). Dado que la potencia y la intensidad del ultrasonido 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. 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 de émbolo crearán fluctuaciones alternas de presión. Se prefieren las bombas centrífugas, las bombas de engranajes, las bombas espirales y las bombas de cavidad progresiva que suministran el líquido a sonar a una presión continuamente estable. (Hielscher 2005)

temperatura

Al sonar un líquido, la potencia se transmite al medio. Como la oscilación generada ultrasónicamente causa 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 (ver imagen). De este modo, se obtiene el control exacto de la temperatura del material durante el procesamiento ultrasónico. Para la sonicación del 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 equipada con camisa de refrigeración - equipo típico para pasos de optimización o producción a pequeña escala

Viscosidad y concentración

A los Pulverizar y Dispersión son procesos líquidos. Las partículas deben estar en suspensión, por ejemplo, en agua, aceite, disolventes o resinas. Mediante el uso de sistemas de flujo a través de ultrasonidos, es posible sondear materiales muy viscosos y pastosos.
El procesador ultrasónico de alta potencia puede funcionar a concentraciones de sólidos bastante altas. Una alta concentración proporciona la eficacia del procesamiento ultrasónico, ya que el efecto de fresado ultrasónico es causado por la colisión entre partículas. Las investigaciones han demostrado que la tasa de rotura de la sílice es independiente de la concentración de sólidos hasta un 50% en peso. El procesamiento de lotes maestros con una relación de material altamente concentrado es un procedimiento de producción común que utiliza ultrasonidos.

Potencia e Intensidad vs. Energía

La intensidad de la superficie y la potencia total sólo describen la intensidad del procesamiento. El volumen de la muestra sonada y el tiempo de exposición a cierta intensidad tienen que ser considerados para describir un proceso de sonicación con el fin de hacerlo escalable y reproducible. Para una configuración de parámetros dada, 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 de salida (P) y el tiempo de exposición (t).

E[Ws] = P[W]*t[s]

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

Producción de bioetanol asistida por ultrasonidos

Ya se sabe que el ultrasonido mejora la producción de bioetanol. Es recomendable espesar el líquido con biomasa hasta obtener una pasta altamente viscosa que aún se pueda bombear. Los reactores ultrasónicos pueden manejar concentraciones de sólidos bastante altas para que el proceso de sonicación sea más eficiente. Cuanto más material contenga el purín, menos líquido portador, que no se beneficiará del proceso de sonicación, será tratado. Como la entrada de energía en un líquido causa un calentamiento del líquido por ley de la termodinámica, esto significa que la energía ultrasónica se aplica al material objetivo, en la medida de lo posible. Con un diseño de proceso tan eficiente, se evita el calentamiento excesivo del exceso de líquido portador.
El ultrasonido ayuda a la extracción del material intracelular y lo hace disponible para la fermentación enzimática. El tratamiento con ultrasonido suave puede mejorar la actividad enzimática, pero para la extracción de biomasa se requerirá un ultrasonido más intenso. Por lo tanto, las enzimas deben ser agregadas a la lechada de biomasa después de la sonicación ya que el ultrasonido intenso inactiva las enzimas, lo cual no es un efecto deseado.

Resultados actuales obtenidos por la investigación científica:

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

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

Gráfico 2 – Mejora ultrasónica del rendimiento del 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-galactosidase. Sulaiman et al (2011) podría mejorar sustancialmente la productividad de la producción de bioetanol, utilizando ultrasonidos a temperatura controlada que estimulen el crecimiento de levaduras de Kluyveromyces marxianus (ATCC 46537). Los autores del trabajo resumen que la sonicación intermitente con ultrasonido de potencia (20 kHz) en los 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 en casi 3,5 veces en relación con el control. Esto correspondió a una mejora de 3,5 veces en la productividad del etanol, pero requirió 952W de potencia adicional por metro cúbico de caldo a través de la sonicación. Este requisito adicional de energía estaba ciertamente dentro de las normas operativas aceptables para los biorreactores y, en el caso de los productos de alto valor, podía ser fácilmente compensado por el aumento de la productividad.

Conclusión: Beneficios de la fermentación asistida por ultrasonidos

El tratamiento ultrasónico ha demostrado ser una técnica eficaz e innovadora para mejorar el rendimiento del bioetanol. Principalmente, el ultrasonido se utiliza para extraer material intracelular de la biomasa, como maíz, soja, paja, material lignocelulósico o materiales de desecho vegetal.

  • Aumento del rendimiento del bioetanol
  • Desinteración/destrucción celular y liberación de material intracelular
  • Descomposición anaeróbica mejorada
  • Activación de enzimas por sonicación leve
  • Mejora de la eficiencia del proceso mediante lodos de alta concentración

Las pruebas sencillas, la escalabilidad reproducible y la facilidad de instalación (también en flujos de producción ya existentes) hacen de los ultrasonidos una tecnología rentable y eficiente. Se dispone de procesadores industriales de ultrasonidos fiables para el procesamiento comercial que permiten sondear volúmenes de líquido prácticamente ilimitados.

UIP1000hd Bench-Top Ultrasonic Homogenizer

Figura 4 - Configuración con procesador ultrasónico de 1000W UIP1000hdde flujo, tanque y bomba

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Literatura/Referencias

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