Aumentar a eficiência da produção de bioenergia com ultrassons de potência

A aplicação de ultrassons de alta intensidade (sonicação) à produção de energia renovável representa um avanço significativo na eficiência dos processos. Através da cavitação acústica, a tecnologia ultrassónica melhora a transferência de massa, rompe as estruturas celulares e acelera as reações químicas em diversas vias de produção de biocombustíveis, incluindo biodiesel, bioetanol e biogás.
A procura de combustíveis renováveis está a aumentar à medida que os preços do petróleo atingem novos máximos. A aplicação da tecnologia ultrassónica à produção de combustíveis verdes, como biodiesel, bioetanol e biogás, melhora a eficiência técnica e comercial.

Biodiesel a partir de óleo vegetal usado e gordura animal

O biodiesel é um combustível renovável que pode ser utilizado em motores diesel como alternativa ao gasóleo produzido a partir do petróleo. O biodiesel é produzido por transesterificação a partir de fontes como óleos vegetais, gorduras animais ou matérias gordas. As matérias-primas mais comuns são os óleos de soja, colza ou algas. A produção de biodiesel envolve a reação catalítica com álcool (metanol ou etanol). A mistura ultrassónica do óleo, da gordura ou das matérias gordas com o álcool melhora significativamente a velocidade e o rendimento da reação. Isto reduz os custos de investimento e de operação.

• Transesterificação acelerada: A irradiação ultrassónica reduz significativamente o tempo de reação na produção de biodiesel, diminuindo-o frequentemente de horas para menos de cinco minutos.
• Separação melhorada: A tecnologia melhora a separação da glicerina do biodiesel, reduzindo os tempos de decantação de várias horas para menos de 15 minutos.
• Rendimentos mais elevados: O tratamento ultrassónico pode facilitar a obtenção de rendimentos de biodiesel superiores a 99%, assegurando uma mistura completa dos reagentes.

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Bioetanol a partir de amido e açúcar

O bioetanol é utilizado como alternativa verde à gasolina. É produzido por fermentação a partir de milho, trigo, batata, cana-de-açúcar, arroz e outros cereais. Utilizam-se leveduras para fermentar o amido e os açúcares presentes nestas culturas, convertendo-os em etanol. A desintegração ultrassónica das estruturas celulares e a extração do material intracelular reduzem o tamanho das partículas e expõem uma área superficial muito maior às enzimas durante a liquefação. Isto melhora a biodisponibilidade do amido e do açúcar e resulta numa fermentação mais rápida e mais completa, produzindo mais etanol.
A produção de bioetanol depende fortemente da decomposição eficiente da biomassa lignocelulósica para libertar açúcares fermentáveis. Os ultrassons auxiliam este processo de várias formas:

• Hidrólise melhorada: O pré-tratamento ultrassónico facilita a desintegração das partículas vegetais e melhora a libertação de glucose da suspensão de milho nas unidades de produção de etanol por moagem a seco.
• Fermentação estimulada: Demonstrou-se que os ultrassons estimulam a produção de etanol durante a sacarificação e fermentação simultâneas (SSF) de materiais como resíduos mistos de papel de escritório.
• Eficiência da extração: Os ultrassons de alta potência são eficazes na extração de componentes ativos, como xilano e heteroxilano, dos carolos e das cascas de milho, bem como na melhoria da extração de óleo da soja, o que apoia cadeias de produção de base biológica mais abrangentes.

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Biogás a partir de resíduos e lamas

Os resíduos orgânicos municipais, as lamas de esgoto, o estrume e o chorume servem como fontes de biogás. O processamento destes materiais em digestores aeróbios ou anaeróbios converte o material orgânico em biogás. A aplicação de ultrassons à desintegração do material orgânico antes da digestão altera a estrutura do material e liberta e ativa enzimas. Isto melhora a digestão do material orgânico, permitindo um processamento mais rápido, mais gás e menos lamas residuais. Por sua vez, isto aumenta a capacidade dos digestores existentes e reduz os custos de eliminação.

Na digestão anaeróbia, o pré-tratamento ultrassónico é utilizado para desintegrar a biomassa (como as lamas ativadas em excesso), tornando a matéria orgânica mais acessível às bactérias.

• Maior rendimento de biogás: A sonicação demonstrou ser eficaz no aumento da produção acumulada de biogás. Os estudos relataram aumentos na produção de biogás entre 26% e 36% em comparação com lamas não tratadas.
• Melhor redução de sólidos: O tratamento ultrassónico melhora a destruição de sólidos voláteis (VS). Por exemplo, a destruição de VS pode aumentar de 30% para 35% ou mesmo para valores superiores (até 39%), dependendo da carga orgânica e da energia fornecida.
• Integração das águas residuais: Os biossólidos provenientes de estações de tratamento de águas residuais urbanas e industriais, bem como os provenientes das próprias unidades de biogás, podem ser processados eficazmente com reatores ultrassónicos para otimizar o processo de estabilização e recuperação de energia.

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A desintegração ultrassónica de estrumes animais antes da digestão anaeróbia melhora os rendimentos de biogás.

Balanço energético dos ultrassons

Os processos acima mencionados não requerem muita energia ultrassónica. Em geral, a energia excedentária resultante da sonicação compensa a energia utilizada para gerar os ultrassons. Os dispositivos ultrassónicos Hielscher têm uma eficiência global superior a 85%. Isto significa que mais de 85% da energia elétrica é convertida e fornecida ao líquido sob a forma de energia mecânica. A necessidade real de energia de um processo pode ser determinada em pequena escala utilizando um processador ultrassónico de 1kW à escala de bancada. Todos os resultados destes ensaios de bancada podem ser facilmente transpostos para uma escala maior. A Hielscher fornece equipamentos industriais de processamento ultrassónico em todo o mundo. Com homogeneizadores ultrassónicos industriais de até 16kW de potência por sonicador individual, não há limite para a dimensão da instalação ou a capacidade de processamento.