Migliorare l’efficienza della produzione di bioenergia con gli ultrasuoni di potenza

L’applicazione degli ultrasuoni ad alta intensità (sonicazione) alla produzione di energia rinnovabile rappresenta un progresso significativo nell’efficienza dei processi. Sfruttando la cavitazione acustica, la tecnologia a ultrasuoni migliora il trasferimento di massa, disgrega le strutture cellulari e accelera le reazioni chimiche in diversi processi di produzione di biocarburanti, tra cui biodiesel, bioetanolo e biogas.
La domanda di combustibili rinnovabili è in aumento mentre i prezzi del petrolio raggiungono nuovi massimi. L’applicazione della tecnologia a ultrasuoni alla produzione di combustibili ecologici, come biodiesel, bioetanolo e biogas, migliora l’efficienza tecnica e commerciale.

Biodiesel da oli vegetali esausti e grassi animali

Il biodiesel è un combustibile rinnovabile che può essere utilizzato nei motori diesel come alternativa al gasolio derivato dal petrolio. Il biodiesel viene prodotto mediante transesterificazione a partire da materie prime come oli vegetali, grassi animali o altri grassi. Tra le materie prime più comuni figurano gli oli di soia, colza o alghe. La produzione di biodiesel prevede una reazione catalitica con un alcol (metanolo o etanolo). La miscelazione a ultrasuoni dell’olio o del grasso con l’alcol migliora significativamente la velocità e la resa della reazione. Ciò riduce i costi di investimento e di esercizio.

• Transesterificazione accelerata: L’irradiazione ultrasonica riduce significativamente il tempo di reazione per la produzione di biodiesel, spesso portandolo da ore a meno di cinque minuti.
• Separazione migliorata: La tecnologia migliora la separazione della glicerina dal biodiesel, riducendo i tempi di decantazione da diverse ore a meno di 15 minuti.
• Rese più elevate: Il trattamento a ultrasuoni può favorire rese di biodiesel superiori al 99% garantendo una miscelazione accurata dei reagenti.

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Bioetanolo da amido e zucchero

Il bioetanolo viene utilizzato come alternativa ecologica alla benzina. Viene prodotto mediante fermentazione a partire da mais, frumento, patate, canna da zucchero, riso e altri cereali. Il lievito viene utilizzato per fermentare l’amido e gli zuccheri presenti in queste colture, trasformandoli in etanolo. La disgregazione a ultrasuoni delle strutture cellulari e l’estrazione del materiale intracellulare riducono le dimensioni delle particelle ed espongono agli enzimi una superficie molto più ampia durante la liquefazione. Ciò migliora la biodisponibilità dell’amido e dello zucchero e determina una fermentazione più rapida e completa, con una maggiore produzione di etanolo.
La produzione di bioetanolo dipende in larga misura dalla degradazione efficiente della biomassa lignocellulosica per liberare zuccheri fermentescibili. Gli ultrasuoni favoriscono questo processo in diversi modi:

• Idrolisi migliorata: Il pretrattamento a ultrasuoni facilita la disgregazione delle particelle vegetali e migliora il rilascio di glucosio dalla sospensione di mais negli impianti di produzione di etanolo con macinazione a secco.
• Fermentazione stimolata: È stato dimostrato che gli ultrasuoni stimolano la produzione di etanolo durante la saccarificazione e fermentazione simultanee (SSF) di materiali come i rifiuti misti di carta da ufficio.
• Efficienza di estrazione: Gli ultrasuoni di potenza sono efficaci nell’estrazione di componenti attivi come xilano ed eteroxilano dai tutoli e dagli involucri dei chicchi di mais, oltre a migliorare l’estrazione dell’olio dai semi di soia, favorendo filiere produttive più ampie basate su risorse biologiche.

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Biogas da rifiuti e fanghi

I rifiuti organici urbani, i fanghi di depurazione, i liquami e il letame costituiscono una fonte di biogas. Il trattamento di questi materiali in digestori aerobici o anaerobici converte il materiale organico in biogas. La disgregazione a ultrasuoni del materiale organico prima della digestione modifica la struttura del materiale e libera e attiva gli enzimi. Ciò migliora la digestione del materiale organico, consentendo un trattamento più rapido, una maggiore produzione di gas e una minore quantità di fanghi residui. Questo, a sua volta, aumenta la capacità dei digestori esistenti e riduce i costi di smaltimento.

Nella digestione anaerobica, il pretrattamento a ultrasuoni viene utilizzato per disgregare la biomassa (come i fanghi attivi di supero), rendendo la materia organica più accessibile ai batteri.

• Maggiore resa di biogas: La sonicazione si è dimostrata efficace nell’aumentare la produzione cumulativa di biogas. Gli studi hanno riportato incrementi della produzione di biogas dal 26% al 36% rispetto ai fanghi non trattati.
• Maggiore riduzione dei solidi: Il trattamento a ultrasuoni migliora la distruzione dei solidi volatili (VS). Ad esempio, la distruzione dei VS può aumentare dal 30% al 35% o raggiungere valori ancora più elevati (fino al 39%), a seconda del carico organico e dell’apporto energetico.
• Integrazione con il trattamento delle acque reflue: I biosolidi provenienti dagli impianti di trattamento delle acque reflue urbane e industriali, così come quelli provenienti dagli stessi impianti di biogas, possono essere trattati efficacemente mediante reattori a ultrasuoni per ottimizzare il processo di stabilizzazione e recupero energetico.

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La disgregazione a ultrasuoni delle deiezioni animali prima della digestione anaerobica migliora le rese di biogas.

Bilancio energetico degli ultrasuoni

I processi menzionati sopra non richiedono molta energia ultrasonica. In generale, l’energia aggiuntiva ottenuta grazie alla sonicazione compensa l’energia utilizzata per generare gli ultrasuoni. I dispositivi a ultrasuoni Hielscher hanno un’efficienza complessiva superiore all’85%. Ciò significa che oltre l’85% dell’energia elettrica viene convertita e trasferita al liquido sotto forma di energia meccanica. Il fabbisogno energetico effettivo di un processo può essere determinato su piccola scala utilizzando un processore a ultrasuoni da 1kW da banco. Tutti i risultati di queste prove da banco possono essere facilmente trasferiti a una scala maggiore. Hielscher fornisce apparecchiature industriali per il trattamento a ultrasuoni in tutto il mondo. Con omogeneizzatori a ultrasuoni industriali che raggiungono una potenza di 16kW per singolo sonicatore, non vi sono limiti alle dimensioni dell’impianto o alla capacità di trattamento.