Fermentación asistida por ultrasonidos para la producción de bioetanol

La fermentación asistida por ultrasonidos puede mejorar la producción de bioetanol al favorecer la descomposición de los carbohidratos complejos en azúcares más simples, que quedan así más disponibles para que las levaduras los conviertan en etanol. Al mismo tiempo, la sonicación también mejora la permeabilidad de la pared celular de las levaduras, lo que permite una liberación más rápida del etanol y un aumento de la producción global. De este modo, la fermentación de bioetanol asistida por ultrasonidos permite obtener tasas de conversión más altas y mayores rendimientos.

Fermentación

La fermentación puede ser un proceso aerobio (= fermentación oxidativa) o anaerobio, utilizado en aplicaciones biotecnológicas para transformar materia orgánica mediante cultivos de células bacterianas, fúngicas o de otros organismos, o mediante enzimas. Mediante la fermentación se obtiene energía de la oxidación de compuestos orgánicos, por ejemplo, carbohidratos.
El azúcar es el sustrato más común de la fermentación, que da lugar a productos como ácido láctico, lactosa, etanol e hidrógeno. En la fermentación alcohólica se produce etanol mediante fermentación – especialmente para su uso como combustible, pero también para bebidas alcohólicas. Cuando determinadas cepas de levadura, como Saccharomyces cerevisiae metabolizan el azúcar, las células de levadura convierten la materia prima en etanol y dióxido de carbono.

Las ecuaciones químicas siguientes resumen la conversión:

Si la materia prima es almidón, por ejemplo, procedente del maíz, primero debe convertirse en azúcar. Para producir bioetanol destinado a combustible, es necesaria la hidrólisis para convertir el almidón. Normalmente, la hidrólisis se acelera mediante un tratamiento ácido o enzimático, o mediante una combinación de ambos. Por lo general, la fermentación se realiza a unos 35–40 °C.
Panorama de diversos procesos de fermentación:

Alimentos:

• producción & conservación
• productos lácteos (fermentación láctica), por ejemplo, yogur, suero de mantequilla, kéfir
• vegetales sometidos a fermentación láctica, por ejemplo, kimchi, miso, natto, tsukemono, chucrut
• desarrollo de compuestos aromáticos, por ejemplo, salsa de soja
• descomposición de agentes curtientes, por ejemplo, té, cacao, café, tabaco
• bebidas alcohólicas, por ejemplo, cerveza, vino, whisky

Fármacos:

• producción de compuestos de uso médico, por ejemplo, insulina, ácido hialurónico

Biogás/Etanol:

• mejora de la producción de biogás/bioetanol

Diversos trabajos de investigación y ensayos con equipos de sobremesa y a escala piloto han demostrado que los ultrasonidos mejoran el proceso de fermentación al aumentar la cantidad de biomasa disponible para la fermentación enzimática. En la siguiente sección se explican en detalle los efectos de los ultrasonidos en un líquido.

Efectos del procesamiento ultrasónico de líquidos

Los ultrasonidos de alta potencia y baja frecuencia permiten generar amplitudes elevadas. Por ello, pueden utilizarse para procesar líquidos mediante operaciones como mezcla, emulsificación, dispersión, desaglomeración o molienda.
Al sonicar líquidos a intensidades elevadas, las ondas sonoras que se propagan por el medio líquido generan ciclos alternos de alta presión (compresión) y baja presión (rarefacción), cuya velocidad de repetición depende de la frecuencia. Durante el ciclo de baja presión, las ondas ultrasónicas de alta intensidad crean pequeñas burbujas de vacío o cavidades en el líquido. Cuando las burbujas alcanzan un volumen con el que ya no pueden absorber energía, colapsan violentamente durante un ciclo de alta presión. Este fenómeno se denomina cavitación. Cavitación, es decir, «la formación, el crecimiento y el 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/sec)», así como chorros de líquido (~400 km/h). (Suslick 1998)

Existen distintos medios para generar cavitación, como boquillas de alta presión, mezcladores rotor-estátor o procesadores ultrasónicos. En todos estos sistemas, la energía suministrada se transforma en fricción, turbulencias, ondas y cavitación. La fracción de la energía suministrada que se transforma en cavitación depende de varios factores que describen el movimiento del equipo generador de cavitación en el líquido. La magnitud de la aceleración es uno de los factores más importantes que influyen en la transformación eficiente de energía en cavitación. Una mayor aceleración genera mayores diferencias de presión. Esto, a su vez, aumenta la probabilidad de que se formen burbujas de vacío en lugar de ondas que se propaguen por el líquido. Por tanto, cuanto mayor es la aceleración, mayor es la fracción de energía que se transforma en cavitación.
En el caso de un transductor ultrasónico, la amplitud de oscilación describe la magnitud de la aceleración. Las amplitudes más altas permiten generar cavitación de manera más eficaz. Además de la magnitud de la aceleración, el líquido debe acelerarse de forma que las pérdidas por turbulencias, fricción y generación de ondas sean mínimas. Para ello, lo óptimo es una dirección de movimiento unidireccional. Al cambiar la intensidad y los parámetros del proceso de sonicación, los ultrasonidos pueden actuar de forma muy intensa o muy suave. Esto los convierte en una herramienta muy versátil para diversas aplicaciones.

Las aplicaciones suaves, que emplean una sonicación de baja intensidad en condiciones suaves, incluyen la desgasificación, emulsificación y la activación de enzimas. Las aplicaciones intensivas con ultrasonidos de alta intensidad y alta potencia (principalmente a presión elevada) son la molienda húmeda, desaglomeración y la reducción del tamaño de partícula, así como la dispersión. En muchas aplicaciones, como la extracción, la desintegración o la sonoquímica, la intensidad ultrasónica necesaria depende del material concreto que se vaya a sonicar. Gracias a la variedad de parámetros que pueden adaptarse a cada proceso, los ultrasonidos permiten encontrar el punto óptimo para cada uno.
Además de una excelente conversión de potencia, la sonicación ofrece la gran ventaja de un control completo de los parámetros más importantes: amplitud, presión, temperatura, viscosidad y concentración. Esto permite ajustar todos estos parámetros para encontrar las condiciones de procesamiento ideales para cada material específico. El resultado es una mayor eficacia y una eficiencia optimizada.

Ultrasonidos para mejorar los procesos de fermentación, con la producción de bioetanol como ejemplo

El bioetanol es un producto de la descomposición de biomasa o de materia biodegradable de residuos mediante 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, pueden utilizarse azúcar, almidón y material lignocelulósico como materias primas. En la producción a escala industrial, actualmente predominan el azúcar y el almidón por sus ventajas económicas.
Mediante ensayos de viabilidad puede comprobarse de forma muy sencilla cómo mejoran los ultrasonidos un proceso específico de un cliente, con una materia prima concreta y en condiciones determinadas. Como primer paso, la sonicación de una pequeña cantidad de suspensión de la materia prima con un equipo ultrasónico de laboratorio mostrará si los ultrasonidos tienen algún efecto sobre la materia prima.

Ensayos de viabilidad

En la primera fase de ensayo, conviene introducir una cantidad relativamente elevada de energía ultrasónica en un pequeño volumen de líquido, ya que así aumentan las posibilidades de observar si se obtiene algún resultado. Un volumen de muestra pequeño también reduce el tiempo de uso del equipo de laboratorio y los costes de los primeros ensayos.
Las ondas ultrasónicas se transmiten al líquido a través de la superficie del sonotrodo. Justo debajo de esta superficie, la intensidad ultrasónica es máxima. Por ello, se prefieren distancias cortas entre el sonotrodo y el material sonicado. Cuando se trata un pequeño volumen de líquido, puede mantenerse una distancia corta respecto al sonotrodo.
La tabla siguiente muestra los niveles habituales de energía/volumen para procesos de sonicación después de la optimización. Como los primeros ensayos no se realizarán con una configuración óptima, una intensidad y un tiempo de sonicación de 10 a 50 veces el valor habitual permitirán determinar si existe algún efecto sobre el material sonicado.

Proceso	Energía/ Volumen	Volumen de muestra	Potencia	Tiempo
Sencillo	< 100 Ws/mL	10 mL	50 W	< 20 sec
Intermedio	100 Ws/mL a 500 Ws/mL	10 mL	50 W	20 a 100 sec
Intensivo	> 500 Ws/mL	10 mL	50 W	>100 sec

Tabla 1 – Valores habituales de sonicación después de la optimización del proceso

La potencia real suministrada durante los ensayos puede registrarse mediante el sistema integrado de registro de datos (UP200Ht y UP200St), una interfaz de PC o un vatímetro. En combinación con los datos registrados del ajuste de amplitud y la temperatura, pueden evaluarse los resultados de cada ensayo y establecerse un valor de referencia para la energía/volumen.
Si durante los ensayos se ha elegido una configuración óptima, su rendimiento puede verificarse en una etapa de optimización y, finalmente, escalarse al nivel comercial. Para facilitar la optimización, también se recomienda encarecidamente examinar los límites de la sonicación, por ejemplo, la temperatura, la amplitud o la energía/volumen para formulaciones específicas. Como los ultrasonidos pueden producir efectos negativos sobre células, sustancias químicas o partículas, es necesario examinar los niveles críticos de cada parámetro para limitar la optimización posterior al intervalo en el que no se observen efectos negativos. Para el estudio de viabilidad se recomiendan equipos pequeños de laboratorio o de sobremesa, con el fin de limitar los gastos de equipos y muestras en estos ensayos. Por lo general, los equipos de 100 a 1.000 vatios resultan muy adecuados para los fines del estudio de viabilidad. (cf. Hielscher 2005)

Optimización

Los resultados obtenidos durante los estudios de viabilidad pueden mostrar un consumo energético bastante elevado en relación con el pequeño volumen tratado. Sin embargo, el objetivo del ensayo de viabilidad es principalmente mostrar los efectos de los ultrasonidos sobre el material. Si se han observado efectos positivos en los ensayos de viabilidad, deben realizarse esfuerzos adicionales para optimizar la relación energía/volumen. Esto implica explorar la configuración ideal de los parámetros ultrasónicos para lograr el máximo rendimiento utilizando la menor cantidad de energía posible y conseguir que el proceso sea lo más rentable y eficiente posible. Para encontrar la configuración óptima de los parámetros – obteniendo los beneficios previstos con un aporte energético mínimo – debe investigarse la correlación entre los parámetros más importantes: amplitud, presión, temperatura y la composición del líquido . En esta segunda etapa se recomienda pasar de la sonicación por lotes a una configuración de sonicación continua con un reactor de celda de flujo, ya que en la sonicación por lotes no puede modificarse el importante parámetro de la presión. Durante la sonicación por lotes, la presión se limita a la presión ambiental. Si el proceso de sonicación se realiza en una cámara de celda de flujo presurizable, la presión puede aumentarse (o reducirse), lo que, en general, afecta a la cavitación ultrasónica de forma drástica. Mediante una celda de flujo puede determinarse la correlación entre la presión y la eficiencia del proceso. Los procesadores ultrasónicos de entre 500 vatios y 2000 vatios de potencia son los más adecuados para optimizar un proceso.

Escalado a la producción comercial

Una vez encontrada la configuración óptima, el escalado posterior es sencillo, ya que los procesos ultrasónicos son totalmente reproducibles mediante un escalado lineal. Esto significa que, cuando se aplican ultrasonidos a una formulación líquida idéntica con una configuración idéntica de los parámetros de procesamiento, se requiere la misma energía por volumen para obtener un resultado idéntico, independientemente de la escala de procesamiento. (Hielscher 2005). Esto permite aplicar la configuración óptima de los parámetros ultrasónicos a la producción a escala industrial. En la práctica, el volumen que puede procesarse por ultrasonidos es ilimitado. Existen sistemas ultrasónicos comerciales de hasta 16.000 vatios por unidad, que pueden instalarse en grupos. Estos grupos de procesadores ultrasónicos pueden instalarse en paralelo o en serie. La instalación agrupada de procesadores ultrasónicos de alta potencia permite disponer de una potencia total prácticamente ilimitada, de modo que pueden procesarse corrientes de gran volumen sin problemas. Si es necesario adaptar el sistema ultrasónico, por ejemplo, para ajustar los parámetros a una formulación líquida modificada, en la mayoría de los casos basta con cambiar el sonotrodo, el amplificador mecánico de amplitud o la celda de flujo. La escalabilidad lineal, la reproducibilidad y la adaptabilidad de los ultrasonidos hacen que esta tecnología innovadora sea eficiente y rentable.

Parámetros del procesamiento ultrasónico

El procesamiento ultrasónico de líquidos se describe mediante una serie de parámetros. Los más importantes son la amplitud, la presión, la temperatura, la viscosidad y la concentración. Para una configuración determinada de los parámetros, el resultado del proceso, como el tamaño de partícula, es función de la energía por volumen procesado. Esta función cambia al modificar parámetros individuales. Además, la potencia real de salida por unidad de superficie del sonotrodo de un equipo ultrasónico depende de los parámetros. La potencia de salida por unidad de 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 parámetros.

El efecto de la cavitación generada depende de la intensidad superficial. El resultado del proceso también se correlaciona con ella. La potencia total de salida de un equipo ultrasónico es el producto de la intensidad superficial (I) y la superficie (S):

P [W] I [W / mm²]* S[mm²]

Amplitud

La amplitud de oscilación describe la distancia (por ejemplo, 50 µm) que recorre la superficie del sonotrodo en un tiempo determinado (por ejemplo, 1/20.000s a 20 kHz). Cuanto mayor es la amplitud, mayor es la velocidad con la que disminuye y aumenta la presión en cada movimiento. Además, aumenta el desplazamiento de volumen en cada movimiento, 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 producen una mayor destrucción de las partículas sólidas. La tabla 1 muestra valores generales para algunos procesos ultrasónicos.

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. Una presión elevada permite la cavitación a temperaturas próximas 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). Como la potencia y la intensidad ultrasónicas cambian rápidamente al variar la presión, es preferible una bomba de presión constante. Al suministrar líquido a una celda de flujo, la bomba debe ser capaz de manejar el caudal específico del líquido a las presiones adecuadas. Las bombas de diafragma o membrana; las bombas de tubo flexible, de manguera o de compresión; las bombas peristálticas; o las bombas de pistón o émbolo generan fluctuaciones alternas de presión. Se prefieren las bombas centrífugas, de engranajes, espirales y de cavidad progresiva que suministran el líquido que se va a sonicar a una presión continuamente estable. (Hielscher 2005)

Temperatura

Al sonicar un líquido, se transmite potencia al medio. Como la oscilación generada por ultrasonidos provoca turbulencias y fricción, el líquido sonicado – de acuerdo con la ley de la termodinámica – se calienta. Las temperaturas elevadas del medio procesado pueden dañar el material y reducir la eficacia de la cavitación ultrasónica. Las innovadoras celdas de flujo ultrasónicas están equipadas con una camisa de refrigeración (véase la imagen). Esto permite controlar con precisión la temperatura del material durante el procesamiento ultrasónico. Para la sonicación de volúmenes pequeños en vasos de precipitados, se recomienda un baño de hielo para disipar el calor.

Viscosidad y concentración

La molienda ultrasónica y la dispersión ultrasónica son procesos en medio líquido. Las partículas deben estar en suspensión, por ejemplo, en agua, aceite, disolventes o resinas. El uso de sistemas ultrasónicos de flujo continuo permite sonicar materiales muy viscosos y pastosos.
Un procesador ultrasónico de alta potencia puede funcionar con concentraciones de sólidos bastante elevadas. Una concentración alta favorece la eficacia del procesamiento ultrasónico, ya que el efecto de molienda ultrasónica se debe a las colisiones entre partículas. Las investigaciones han demostrado que la tasa de fractura de la sílice es independiente de la concentración de sólidos hasta un 50% en peso. El procesamiento de mezclas maestras con una proporción de material muy concentrada es un procedimiento de producción habitual que utiliza sonicación.

Potencia e intensidad frente a energía

La intensidad superficial y la potencia total describen únicamente la intensidad del procesamiento. Para describir un proceso de sonicación de forma que pueda escalarse y reproducirse, deben tenerse en cuenta el volumen de muestra sonicado y el tiempo de exposición a una intensidad determinada. Para una configuración dada de los parámetros, el resultado del proceso, por ejemplo, el tamaño de partícula 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 modificarán la función del resultado. Esto, a su vez, hará variar la cantidad de energía (E) necesaria para un valor de muestra dado (V) con el fin de obtener un resultado específico. Por este motivo, no basta con aplicar una determinada potencia ultrasónica a un proceso para obtener un resultado. Se requiere un enfoque más elaborado para identificar la potencia necesaria y la configuración de los parámetros con la que debe suministrarse esa potencia al material del proceso. (Hielscher 2005)

Producción de bioetanol asistida por ultrasonidos

Ya se sabe que los ultrasonidos mejoran la producción de bioetanol. Se recomienda espesar el líquido con biomasa hasta obtener una suspensión muy viscosa que siga siendo bombeable. Los reactores ultrasónicos pueden manejar concentraciones de sólidos bastante elevadas, lo que permite realizar el proceso de sonicación con la máxima eficiencia. Cuanto más material contiene la suspensión, menor es la cantidad de líquido portador tratado, que no se beneficia del proceso de sonicación. Como el aporte de energía a un líquido provoca su calentamiento según la ley de la termodinámica, esto significa que la energía ultrasónica se aplica, en la mayor medida posible, al material objetivo. Un diseño de proceso tan eficiente evita el calentamiento innecesario del exceso de líquido portador.
Los ultrasonidos favorecen la extracción del material intracelular, que queda así disponible para la fermentación enzimática. Un tratamiento ultrasónico suave puede aumentar la actividad enzimática, pero la extracción de biomasa requiere ultrasonidos más intensos. Por tanto, las enzimas deben añadirse a la suspensión de biomasa después de la sonicación, ya que los ultrasonidos intensos inactivan las enzimas, un efecto no deseado.

Resultados actuales de 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 un pretratamiento ácido y ultrasónico antes del tratamiento enzimático permite aumentar el rendimiento de azúcares hasta un 44% (sobre la base de la paja de arroz). Esto demuestra la eficacia de combinar pretratamientos físicos y químicos antes de la hidrólisis enzimática del material lignocelulósico para convertirlo en azúcar. 

El gráfico 2 ilustra los efectos positivos de la irradiación ultrasónica durante la producción de bioetanol a partir de paja de arroz. (Se utilizó carbón vegetal para detoxificar las muestras sometidas a pretratamiento ácido/enzimático y a pretratamiento ultrasónico.)

En otro estudio reciente se examinó la influencia de la sonicación sobre los niveles extracelulares e intracelulares de la enzima β-galactosidasa. Sulaiman et al. (2011) lograron mejorar sustancialmente la productividad de la producción de bioetanol mediante ultrasonidos a temperatura controlada, que estimularon el crecimiento de la levadura Kluyveromyces marxianus (ATCC 46537). Los autores del artículo concluyen que la sonicación intermitente con ultrasonidos de potencia (20 kHz), con 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 11,8Wcm². En las mejores condiciones, la sonicación aumentó la concentración final de etanol hasta casi 3,5 veces la del control. Esto correspondió a un aumento de la productividad de etanol de 3,5 veces, pero requirió un aporte adicional de potencia de 952 W por metro cúbico de caldo mediante sonicación. Esta necesidad adicional de energía se encontraba claramente dentro de los límites operativos aceptables para los biorreactores y, en el caso de productos de alto valor, podía compensarse fácilmente con el aumento de la productividad.

Conclusión: ventajas de la fermentación asistida por ultrasonidos

El tratamiento ultrasónico ha demostrado ser una técnica eficiente e innovadora para aumentar el rendimiento de bioetanol. Los ultrasonidos se utilizan principalmente para extraer material intracelular de biomasa como maíz, soja, paja, material lignocelulósico o residuos vegetales.

• Aumento del rendimiento de bioetanol
• Desintegración/Destrucción celular y liberación de material intracelular
• Mejora de la descomposición anaerobia
• Activación de enzimas mediante sonicación suave
• Mejora de la eficiencia del proceso mediante suspensiones de alta concentración

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