Aumentar a eficiência da produção de bioenergia com ultrassom de alta potência

A aplicação de ultrassons de alta intensidade (sonicação) à produção de energia renovável representa um avanço significativo na eficiência dos processos. Ao tirar partido da cavitação acústica, a tecnologia ultrassónica melhora a transferência de massa, rompe as estruturas celulares e acelera as reações químicas em várias vias de produção de biocombustíveis, incluindo o biodiesel, o bioetanol e o biogás.
Os combustíveis renováveis têm uma procura crescente à medida que os preços do petróleo atingem novos patamares. A aplicação da tecnologia ultra-sónica à produção de combustíveis verdes, como o biodiesel, o bioetanol e o 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 a diesel como alternativa ao gasóleo derivado do petróleo. O biodiesel é produzido por transesterificação a partir de matérias-primas como óleos vegetais, gorduras animais ou graxas. As matérias-primas mais comuns são o óleo de soja, de colza ou de algas. O fabrico do biodiesel envolve uma reação catalítica com álcool (metanol ou etanol). A mistura por ultrassons do óleo, da gordura ou da graxa com o álcool melhora significativamente a velocidade da reação e o rendimento. Isto reduz os custos de investimento e operacionais.

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

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Bioetanol a partir de amido e açúcar

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

• Hidrólise melhorada: O pré-tratamento por ultrassons facilita a desintegração das partículas vegetais e melhora a libertação de glicose da pasta de milho em unidades de produção de etanol com moagem a seco.
• Fermentação estimulada: Foi demonstrado que os ultrassons estimulam a produção de etanol durante a sacarificação e fermentação simultâneas (SSF) de materiais como o papel misto de escritório usado.
• Eficiência de extração: O ultrassom de alta potência é eficaz na extração de componentes ativos, como o xilano e o heteroxilano, a partir de espigas e cascas de milho, bem como no aumento da extração de óleo da soja, o que contribui para o desenvolvimento de cadeias de produção de base biológica mais abrangentes.

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Biogás de resíduos e lamas

Os resíduos orgânicos urbanos, as lamas de depuração, o lodo e o estrume servem de fonte de biogás. O processamento desse material em digestores aeróbios ou anaeróbios converte a matéria orgânica em biogás. Ultra-sons desintegração da matéria orgânica antes da digestão altera a estrutura do material e liberta e ativa as enzimas. Isto melhora a digestão do material orgânico, levando a um processamento mais rápido, mais gás e menos lamas residuais. Isto, por sua vez, aumenta a capacidade dos digestores existentes e reduz os custos de eliminação.

Na digestão anaeróbica, o pré-tratamento por ultrassons é utilizado para desintegrar a biomassa (como, por exemplo, lamas ativadas residuais), de modo a tornar a matéria orgânica mais acessível às bactérias.

• Aumento do rendimento de biogás: A sonicação revelou-se eficaz no aumento da produção cumulativa de biogás. Vários estudos relataram aumentos na produção de biogás que variam entre 26 % e 36 %, em comparação com lamas não tratadas.
• Melhoria na redução de sólidos: O tratamento por ultrassons melhora a destruição dos sólidos voláteis (VS). Por exemplo, a destruição dos VS pode aumentar de 30 % para 35 % ou mesmo mais (até 39 %), dependendo da carga orgânica e da energia aplicada.
• Integração do tratamento de águas residuais: Os biossólidos provenientes de estações de tratamento de águas residuais urbanas e industriais, bem como os provenientes das próprias instalações de biogás, podem ser tratados de forma eficaz através de reatores ultrassónicos, de modo a otimizar o processo de estabilização e de recuperação de energia.

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A desintegração ultra-sónica de estrume animal antes da digestão anaeróbia melhora o rendimento de biogás.

Balanço de energia ultrassónico

Os processos acima referidos não requerem muita energia ultrassónica. Em geral, o excedente de energia resultante da sonicação compensa a energia utilizada para gerar o ultrassom. Os dispositivos ultrassónicos da Hielscher apresentam uma eficiência global superior a 85%. Isto significa que mais de 85% da energia elétrica é convertida e transmitida ao líquido sob a forma de energia mecânica. A necessidade energética real de um processo pode ser determinada em pequena escala, utilizando um processador ultrassónico de 1 kW em escala de bancada. Todos os resultados destes ensaios de bancada podem ser facilmente ampliados. A Hielscher fornece equipamento industrial de processamento ultrassónico em todo o mundo. Com homogeneizadores ultrassónicos industriais com potência até 16 kW por sonificador individual, não há limites quanto à dimensão da unidade ou à capacidade de processamento.