Fermentazione assistita da ultrasuoni per la produzione di bioetanolo
La fermentazione assistita dagli ultrasuoni può migliorare la produzione di bioetanolo promuovendo la scomposizione dei carboidrati complessi in zuccheri più semplici, rendendoli più facilmente disponibili per la conversione del lievito in etanolo. Contemporaneamente, la sonicazione migliora anche l'efficienza della permeabilità della parete cellulare del lievito, consentendo un più rapido rilascio di etanolo e un aumento della produzione complessiva. La fermentazione del bioetanolo assistita dagli ultrasuoni consente quindi di ottenere tassi di conversione più elevati e rese migliori.
fermentazione
La fermentazione può essere un processo aerobico (= fermentazione ossidativa) o anaerobico, utilizzato per applicazioni biotecnologiche per convertire materiale organico mediante colture cellulari batteriche, fungine o di altro tipo o mediante enzimi. Con la fermentazione, l'energia viene estratta dall'ossidazione di composti organici, ad esempio i carboidrati.
Lo zucchero è il substrato più comune della fermentazione, che dà luogo, dopo la fermentazione, a prodotti come acido lattico, lattosio, etanolo e idrogeno. Per la fermentazione alcolica, l'etanolo - soprattutto per l'uso come carburante, ma anche per le bevande alcoliche – è prodotto dalla fermentazione. Quando alcuni ceppi di lievito, come Saccharomyces cerevisiae metabolizzando lo zucchero, le cellule del lievito convertono il materiale di partenza in etanolo e anidride carbonica.
Le equazioni chimiche riportate di seguito riassumono la conversione:
Se il materiale di partenza è l'amido, ad esempio quello del mais, l'amido deve essere convertito in zucchero. Per il bioetanolo utilizzato come carburante, è necessaria l'idrolisi per la conversione dell'amido. In genere, l'idrolisi è accelerata da un trattamento acido o enzimatico o da una combinazione di entrambi. Normalmente, la fermentazione viene effettuata a circa 35-40 °C.
Panoramica sui vari processi di fermentazione:
Cibo :
- produzione & Conservazione
- latticini (fermentazione dell'acido lattico), ad esempio yogurt, latticello, kefir
- verdure a fermentazione lattica, ad esempio kimchi, miso, natto, tsukemono, crauti
- sviluppo di aromi, ad esempio la salsa di soia
- decomposizione di agenti abbronzanti, ad esempio tè, cacao, caffè, tabacco
- bevande alcoliche, ad esempio birra, vino, whisky
Farmaci :
- produzione di composti medici, ad esempio insulina e acido ialuronico
Biogas/ Etanolo :
- miglioramento della produzione di biogas/ bioetanolo
Diversi lavori di ricerca e test su banco e pilota hanno dimostrato che gli ultrasuoni migliorano il processo di fermentazione rendendo disponibile più biomassa per la fermentazione enzimatica. Nella sezione che segue verranno illustrati gli effetti degli ultrasuoni in un liquido.
Effetti del trattamento dei liquidi con ultrasuoni
Con gli ultrasuoni ad alta potenza/bassa frequenza si possono generare ampiezze elevate. Pertanto, gli ultrasuoni ad alta potenza/bassa frequenza possono essere utilizzati per il trattamento di liquidi come la miscelazione, l'emulsione, la dispersione e la deagglomerazione o la macinazione.
Quando si sonicano i liquidi ad alta intensità, le onde sonore che si propagano nel mezzo liquido danno luogo a cicli alternati di alta pressione (compressione) e bassa pressione (rarefazione), con velocità che dipendono dalla frequenza. Durante il ciclo di bassa pressione, le onde ultrasoniche ad alta intensità creano piccole bolle o vuoti nel liquido. Quando le bolle raggiungono un volume tale da non poter più assorbire energia, collassano violentemente durante un ciclo di alta pressione. Questo fenomeno è definito cavitazione. cavitazione, cioè “la formazione, la crescita e il collasso implosivo di bolle in un liquido. Il collasso cavitazionale produce un intenso riscaldamento locale (~5000 K), alte pressioni (~1000 atm) ed enormi velocità di riscaldamento e raffreddamento (>109 K/sec)” e getti liquidi (~400 km/h)". (Suslick 1998)
Nel caso di un trasduttore a ultrasuoni, l'ampiezza dell'oscillazione descrive l'intensità dell'accelerazione. Un'ampiezza maggiore determina una creazione più efficace della cavitazione. Oltre all'intensità, il liquido deve essere accelerato in modo da creare perdite minime in termini di turbolenze, attrito e generazione di onde. A tal fine, il modo ottimale è una direzione di movimento unilaterale. Modificando l'intensità e i parametri del processo di sonicazione, gli ultrasuoni possono essere molto duri o molto morbidi. Ciò rende gli ultrasuoni uno strumento molto versatile per varie applicazioni.

Immagine 1 – dispositivo da laboratorio a ultrasuoni UP100H (100 watt) per i test di fattibilità
Oltre a un'eccezionale conversione di potenza, l'ultrasuonoterapia offre il grande vantaggio del pieno controllo dei parametri più importanti: Ampiezza, Pressione, Temperatura, Viscosità e Concentrazione. Ciò offre la possibilità di regolare tutti questi parametri con l'obiettivo di trovare i parametri di lavorazione ideali per ogni specifico materiale. Ciò si traduce in una maggiore efficacia e in un'efficienza ottimizzata.
Ultrasuoni per migliorare i processi di fermentazione, spiegati a titolo esemplificativo con la produzione di bioetanolo
Il bioetanolo è un prodotto della decomposizione di biomassa o di materiale biodegradabile di scarto da parte di batteri anaerobi o aerobi. L'etanolo prodotto viene utilizzato principalmente come biocarburante. Ciò rende il bioetanolo un'alternativa rinnovabile ed ecologica ai combustibili fossili, come il gas naturale.
Per produrre etanolo dalla biomassa, si possono utilizzare come materie prime lo zucchero, l'amido e i materiali lignocellulosici. Per le dimensioni della produzione industriale, lo zucchero e l'amido sono attualmente predominanti in quanto economicamente favorevoli.
Il modo in cui gli ultrasuoni migliorano un processo individuale del cliente con una specifica materia prima in determinate condizioni può essere provato in modo molto semplice con test di fattibilità. In una prima fase, la sonicazione di una piccola quantità di fanghi di materie prime con un ultrasuono dispositivo di laboratorio mostrerà se gli ultrasuoni influiscono sulla materia prima.
test di fattibilità
Nella prima fase di test, è opportuno introdurre una quantità relativamente elevata di energia ultrasonica in un piccolo volume di liquido, in modo da aumentare le possibilità di vedere se si possono ottenere risultati. Un piccolo volume di campione accorcia anche i tempi di utilizzo di un dispositivo di laboratorio e riduce i costi per i primi test.
Le onde ultrasonore vengono trasmesse dalla superficie del sonotrodo al liquido. In prossimità della superficie del sonotrodo, l'intensità degli ultrasuoni è massima. Per questo motivo, sono preferibili brevi distanze tra il sonotrodo e il materiale sonicato. Quando è esposto un piccolo volume di liquido, la distanza dal sonotrodo può essere ridotta.
La tabella seguente mostra i livelli tipici di energia/volume per i processi di sonicazione dopo l'ottimizzazione. Poiché le prime prove non saranno eseguite con la configurazione ottimale, l'intensità e il tempo di sonicazione di 10-50 volte rispetto al valore tipico mostreranno se il materiale sonicato ha qualche effetto o meno.
Processo |
Energia/ Volume |
Volume del campione |
Potenza |
Tempo |
Semplice |
< 100Ws/mL |
10mL |
50W |
< 20 sec |
Medio |
Da 100W/mL a 500W/mL |
10mL |
50W |
Da 20 a 100 secondi |
Duro |
> 500Ws/mL |
10mL |
50W |
>100 sec |
Tabella 1 – Valori tipici di sonicazione dopo l'ottimizzazione del processo
La potenza effettiva assorbita dalle prove può essere registrata tramite la registrazione integrata dei dati (UP200Ht e UP200St), dall'interfaccia PC o dal powermeter. In combinazione con i dati registrati di impostazione dell'ampiezza e della temperatura, è possibile valutare i risultati di ogni prova e stabilire una linea di fondo per l'energia/volume.
Se durante i test è stata scelta una configurazione ottimale, le prestazioni di questa configurazione possono essere verificate durante una fase di ottimizzazione e infine scalate a livello commerciale. Per facilitare l'ottimizzazione, si raccomanda di esaminare anche i limiti della sonicazione, ad esempio temperatura, ampiezza o energia/volume per formulazioni specifiche. Poiché gli ultrasuoni potrebbero generare effetti negativi su cellule, sostanze chimiche o particelle, è necessario esaminare i livelli critici per ciascun parametro, al fine di limitare la successiva ottimizzazione all'intervallo di parametri in cui non si osservano effetti negativi. Per lo studio di fattibilità si consigliano piccole unità da laboratorio o da banco per limitare le spese per le attrezzature e i campioni in tali prove. In genere, le unità da 100 a 1.000 Watt servono molto bene per lo studio di fattibilità. (cfr. Hielscher 2005)
ottimizzazione
I risultati ottenuti durante gli studi di fattibilità possono mostrare un consumo energetico piuttosto elevato rispetto al piccolo volume trattato. Ma lo scopo del test di fattibilità è principalmente quello di mostrare gli effetti degli ultrasuoni sul materiale. Se nei test di fattibilità si sono verificati effetti positivi, è necessario compiere ulteriori sforzi per ottimizzare il rapporto energia/volume. Ciò significa esplorare la configurazione ideale dei parametri degli ultrasuoni per ottenere il massimo rendimento utilizzando la minore energia possibile, per rendere il processo economicamente più ragionevole ed efficiente. Per trovare la configurazione ottimale dei parametri – ottenere i benefici previsti con un apporto energetico minimo - la correlazione tra i parametri più importanti ampiezza, pressione, temperatura e liquido composizione devono essere studiati. In questa seconda fase si raccomanda di passare dalla sonicazione in batch a quella in continuo con reattore a celle di flusso, poiché l'importante parametro della pressione non può essere influenzato dalla sonicazione in batch. Durante la sonicazione in batch, la pressione è limitata alla pressione ambiente. Se il processo di sonicazione passa attraverso una camera a celle di flusso pressurizzabile, la pressione può essere aumentata (o ridotta) e ciò influisce in generale sugli ultrasuoni. cavitazione drasticamente. Utilizzando una cella di flusso, è possibile determinare la correlazione tra pressione ed efficienza del processo. Processori a ultrasuoni tra 500 watt e 2000 watt di potenza sono i più adatti per ottimizzare un processo.
Passaggio alla produzione commerciale
Se la configurazione ottimale è stata individuata, l'ulteriore scalabilità è semplice in quanto i processi a ultrasuoni sono completamente riproducibile su scala lineare. Ciò significa che, quando gli ultrasuoni vengono applicati a una formulazione liquida identica con una configurazione di parametri di lavorazione identica, è necessaria la stessa energia per volume per ottenere un risultato identico, indipendentemente dalla scala di lavorazione. (Hielscher 2005). Ciò consente di implementare la configurazione ottimale dei parametri degli ultrasuoni fino alle dimensioni della produzione su scala reale. In pratica, il volume che può essere trattato con gli ultrasuoni è illimitato. I sistemi a ultrasuoni commerciali fino a 16.000 watt per unità sono disponibili e possono essere installati in cluster. Tali cluster di processori a ultrasuoni possono essere installati in parallelo o in serie. Con l'installazione in cluster di processori a ultrasuoni ad alta potenza, la potenza totale è quasi illimitata, in modo da poter trattare senza problemi flussi di volume elevato. Inoltre, se è necessario adattare il sistema a ultrasuoni, ad esempio per adattare i parametri a una formulazione liquida modificata, ciò può essere fatto principalmente cambiando sonotrodo, booster o cella di flusso. La scalabilità lineare, la riproducibilità e l'adattabilità degli ultrasuoni rendono questa tecnologia innovativa efficiente ed economica.

Figura 3 - Processore industriale a ultrasuoni UIP16000 con 16.000 watt di potenza
Parametri della lavorazione a ultrasuoni
Il trattamento dei liquidi a ultrasuoni è descritto da una serie di parametri. I più importanti sono ampiezza, pressione, temperatura, viscosità e concentrazione. Il risultato del processo, come la dimensione delle particelle, per una determinata configurazione di parametri è una funzione dell'energia per volume trattato. La funzione cambia con la variazione dei singoli parametri. Inoltre, la potenza effettiva erogata per area superficiale del sonotrodo di un'unità a ultrasuoni dipende dai parametri. La potenza erogata per superficie del sonotrodo è l'intensità superficiale (I). L'intensità superficiale dipende dall'ampiezza (A), dalla pressione (p), dal volume del reattore (VR), dalla temperatura (T), dalla viscosità (η) e da altri parametri.

L'impatto cavitazionale della lavorazione a ultrasuoni dipende dall'intensità superficiale che è descritta dall'ampiezza (A), dalla pressione (p), dal volume del reattore (VR), dalla temperatura (T), dalla viscosità (η) e da altri parametri. I segni più e meno indicano un'influenza positiva o negativa del parametro specifico sull'intensità di sonicazione.
L'impatto della cavitazione generata dipende dall'intensità della superficie. Allo stesso modo, il risultato del processo è correlato. La potenza totale di un'unità a ultrasuoni è il prodotto dell'intensità superficiale (I) e dell'area superficiale (S):
p [w] i [w / mm²]* s[mm²]
Ampiezza
L'ampiezza dell'oscillazione descrive la distanza (ad esempio 50 µm) percorsa dalla superficie del sonotrodo in un determinato tempo (ad esempio 1/20.000s a 20kHz). Maggiore è l'ampiezza, maggiore è la velocità con cui la pressione si abbassa e aumenta a ogni colpo. Inoltre, lo spostamento volumetrico di ciascun colpo aumenta, determinando un volume di cavitazione maggiore (dimensione e/o numero di bolle). Se applicate alle dispersioni, le ampiezze più elevate mostrano una maggiore distruttività delle particelle solide. La Tabella 1 mostra i valori generali per alcuni processi a ultrasuoni.
pressione
Il punto di ebollizione di un liquido dipende dalla pressione. Più alta è la pressione, più alto è il punto di ebollizione, e viceversa. Una pressione elevata consente la cavitazione a temperature prossime o superiori al punto di ebollizione. Aumenta anche l'intensità dell'implosione, che è legata alla differenza tra la pressione statica e la pressione del vapore all'interno della bolla (cfr. Vercet et al. 1999). Poiché la potenza e l'intensità degli ultrasuoni cambiano rapidamente al variare della pressione, è preferibile utilizzare una pompa a pressione costante. Quando si alimenta un liquido a una cella di flusso, la pompa deve essere in grado di gestire il flusso specifico di liquido a pressioni adeguate. Le pompe a membrana o a membrana; le pompe a tubo flessibile, a tubo flessibile o a compressione; le pompe peristaltiche; le pompe a pistone o a stantuffo creeranno fluttuazioni di pressione alternate. Sono preferibili le pompe centrifughe, le pompe a ingranaggi, le pompe a spirale e le pompe monovite che forniscono il liquido da sonicare a una pressione stabile e continua. (Hielscher 2005)
Temperatura
Sonicando un liquido, si trasmette energia al mezzo. Poiché l'oscillazione generata dagli ultrasuoni provoca turbolenze e attriti, il liquido sonicato - in conformità con la legge della termodinamica – si riscalda. Temperature elevate del fluido trattato possono essere distruttive per il materiale e ridurre l'efficacia della cavitazione a ultrasuoni. Le innovative celle di flusso a ultrasuoni sono dotate di una camicia di raffreddamento (vedi figura). In questo modo è possibile controllare con precisione la temperatura del materiale durante la lavorazione a ultrasuoni. Per la sonicazione in becher di volumi più piccoli si consiglia un bagno di ghiaccio per la dissipazione del calore.

Figura 3 - Trasduttore a ultrasuoni UIP1000hd (1000 watt) con cella a flusso dotata di camicia di raffreddamento - attrezzatura tipica per fasi di ottimizzazione o produzione su piccola scala
Viscosità e concentrazione
Ultrasuoni fresatura e la dispersione sono processi liquidi. Le particelle devono essere in sospensione, ad esempio in acqua, olio, solventi o resine. Con l'uso di sistemi a ultrasuoni a flusso continuo, è possibile sonicare materiali molto viscosi e pastosi.
Il processore a ultrasuoni ad alta potenza può essere utilizzato a concentrazioni di solidi piuttosto elevate. Una concentrazione elevata garantisce l'efficacia del trattamento a ultrasuoni, poiché l'effetto di macinazione a ultrasuoni è causato dalla collisione tra le particelle. Le indagini hanno dimostrato che il tasso di rottura della silice è indipendente dalla concentrazione di solidi fino al 50% in peso. La lavorazione di lotti master con un rapporto di materiale altamente concentrato è una procedura di produzione comune che utilizza gli ultrasuoni.
Potenza e intensità contro energia
L'intensità della superficie e la potenza totale descrivono solo l'intensità del trattamento. Il volume del campione sonicato e il tempo di esposizione a una determinata intensità devono essere considerati per descrivere un processo di sonicazione, al fine di renderlo scalabile e riproducibile. Per una determinata configurazione di parametri, il risultato del processo, ad esempio la dimensione delle particelle o la conversione chimica, dipenderà dall'energia per volume (E/V).
Risultato = F (E /V )
Dove l'energia (E) è il prodotto della potenza erogata (P) e del tempo di esposizione (t).
E[Ws] = p[w]*t[s]
Le modifiche alla configurazione dei parametri cambiano la funzione di risultato. A sua volta, varierà la quantità di energia (E) necessaria per un determinato valore del campione (V) per ottenere uno specifico valore di risultato. Per questo motivo non è sufficiente distribuire una certa potenza di ultrasuoni a un processo per ottenere un risultato. È necessario un approccio più sofisticato per identificare la potenza necessaria e la configurazione dei parametri con cui tale potenza deve essere immessa nel materiale del processo. (Hielscher 2005)
Produzione di bioetanolo assistita da ultrasuoni
È già noto che gli ultrasuoni migliorano la produzione di bioetanolo. È consigliabile addensare il liquido con la biomassa fino a ottenere un impasto altamente viscoso che sia ancora pompabile. I reattori a ultrasuoni possono gestire concentrazioni di solidi piuttosto elevate, in modo che il processo di sonicazione possa essere eseguito con la massima efficienza. Più materiale è contenuto nello slurry, meno liquido di supporto, che non trarrà vantaggio dal processo di sonicazione, sarà trattato. Poiché l'immissione di energia in un liquido ne provoca il riscaldamento per legge termodinamica, ciò significa che l'energia ultrasonica viene applicata al materiale target, per quanto possibile. Grazie a questa efficiente progettazione del processo, si evita uno spreco di riscaldamento del liquido di supporto in eccesso.
L'ecografia assiste il estrazione del materiale intracellulare, rendendolo così disponibile per la fermentazione enzimatica. Un trattamento leggero con ultrasuoni può aumentare l'attività enzimatica, ma per l'estrazione della biomassa sono necessari ultrasuoni più intensi. Pertanto, gli enzimi devono essere aggiunti allo slurry di biomassa dopo la sonicazione, poiché gli ultrasuoni intensi inattivano gli enzimi, il che non è un effetto desiderato.
Risultati attuali raggiunti dalla ricerca scientifica:
Gli studi di Yoswathana et al. (2010) sulla produzione di bioetanolo dalla paglia di riso hanno dimostrato che la combinazione di pretrattamento acido e ultrasuoni prima del trattamento enzimatico porta a un aumento della resa in zucchero fino al 44% (su base di paglia di riso). Ciò dimostra l'efficacia della combinazione di pretrattamenti fisici e chimici prima dell'idrolisi enzimatica delle lignocellulose in zucchero.
Il grafico 2 illustra gli effetti positivi dell'irradiazione a ultrasuoni durante la produzione di bioetanolo dalla paglia di riso. (Il carbone di legna è stato utilizzato per detossificare i campioni pretrattati con acidi/enzimi e con ultrasuoni).

Grafico 2 – Miglioramento della resa di etanolo durante la fermentazione con gli ultrasuoni (Yoswathana et al. 2010)
In un altro studio recente, è stata esaminata l'influenza degli ultrasuoni sui livelli extracellulari e intracellulari dell'enzima β-galattosidasi. Sulaiman et al. (2011) sono riusciti a migliorare sostanzialmente la produttività della produzione di bioetanolo, utilizzando gli ultrasuoni a temperatura controllata per stimolare la crescita del lievito Kluyveromyces marxianus (ATCC 46537). Gli autori dell'articolo affermano che la sonicazione intermittente con ultrasuoni di potenza (20 kHz) a cicli di lavoro ≤20% ha stimolato la produzione di biomassa, il metabolismo del lattosio e la produzione di etanolo in K. marxianus a un'intensità di sonicazione relativamente alta, pari a 11,8Wcm-2. Nelle condizioni migliori, la sonicazione ha aumentato la concentrazione finale di etanolo di quasi 3,5 volte rispetto al controllo. Ciò corrisponde a un aumento di 3,5 volte della produttività dell'etanolo, ma richiede 952 W di potenza aggiuntiva per metro cubo di brodo grazie alla sonicazione. Questo requisito energetico aggiuntivo rientra certamente nelle norme operative accettabili per i bioreattori e, per i prodotti di alto valore, potrebbe essere facilmente compensato dall'aumento della produttività.
Conclusioni: Vantaggi della fermentazione assistita da ultrasuoni
Il trattamento a ultrasuoni si è dimostrato una tecnica efficiente e innovativa per aumentare la resa in bioetanolo. Gli ultrasuoni vengono utilizzati principalmente per estrarre materiale intracellulare dalla biomassa, come mais, soia, paglia, materiale ligno-cellulosico o scarti vegetali.
- Aumento della resa in bioetanolo
- Disinteresse/ Distruzione delle cellule e rilascio di materiale intracellulare
- Miglioramento della decomposizione anaerobica
- Attivazione degli enzimi mediante lieve sonicazione
- Miglioramento dell'efficienza del processo mediante impasti ad alta concentrazione
La semplicità dei test, la scalabilità riproducibile e la facilità di installazione (anche in flussi di produzione già esistenti) rendono gli ultrasuoni una tecnologia redditizia ed efficiente. Sono disponibili processori industriali a ultrasuoni affidabili per il trattamento commerciale, che consentono di sonicare volumi di liquidi virtualmente illimitati.

Figura 4 - Configurazione con processore a ultrasuoni da 1000 W UIP1000hd, cella a flusso, serbatoio e pompa
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Letteratura/riferimenti
- Luft, L., Confortin, T.C., Todero, I. et al. (2019): La tecnologia a ultrasuoni applicata per migliorare l'idrolisi enzimatica del grano esausto di birra e il suo potenziale per la produzione di zuccheri fermentabili. Biomassa di scarto Valor 10, 2019. 2157-2164.
- Velmurugan, R. e Incharoensakdi, A. (2016): Un adeguato trattamento con ultrasuoni aumenta la produzione di etanolo dalla saccarificazione e fermentazione simultanea della bagassa di canna da zucchero. RSC Advances, 6(94), 2016. 91409-91419.
- Sulaiman, A. Z.; Ajit, A.; Yunus, R. M.; Cisti, Y. (2011): La fermentazione assistita da ultrasuoni aumenta la produttività del bioetanolo. Biochemical Engineering Journal 54/2011. pp. 141-150.
- Nasirpour, N., Ravanshad, O. & Mousavi, S.M. (2023): Idrolisi acida e di liquidi ionici assistita da ultrasuoni di microalghe per la produzione di bioetanolo. Biomassa Conv. Bioref. 13, 2023. 16001-16014.
- Nikolic, S.; Mojovic, L.; Rakin, M.; Pejin, D.; Pejin, J. (2010): Produzione di bioetanolo assistita da ultrasuoni mediante saccarificazione e fermentazione simultanea di farina di mais. In: Chimica degli alimenti 122/2010. pp. 216-222.