Fermentação assistida por ultra-sons para a produção de bioetanol

A fermentação assistida por ultra-sons pode aumentar a produção de bioetanol, promovendo a decomposição de hidratos de carbono complexos em açúcares mais simples, tornando-os mais facilmente disponíveis para a levedura converter em etanol. Simultaneamente, a sonicação também melhora a eficiência da permeabilidade da parede celular da levedura, permitindo uma libertação mais rápida de etanol e um aumento da produção global. Deste modo, a fermentação de bioetanol assistida por ultra-sons resulta em taxas de conversão mais elevadas e rendimentos melhorados.

Fermentação

A fermentação pode ser um processo aeróbio (= fermentação oxidativa) ou anaeróbio, que é utilizado em aplicações biotecnológicas para converter matéria orgânica através de culturas de células bacterianas, fúngicas ou outras culturas biológicas ou através de enzimas. Através da fermentação, a energia é extraída da oxidação de compostos orgânicos, por exemplo, hidratos de carbono.
O açúcar é o substrato mais comum da fermentação, resultando, após a fermentação, em produtos como o ácido lático, a lactose, o etanol e o hidrogénio. Para a fermentação alcoólica, o etanol - especialmente para utilização como combustível, mas também para bebidas alcoólicas – é produzido pela fermentação. Quando certas estirpes de leveduras, tais como saccharomyces cerevisiae metabolizar o açúcar, as células de levedura convertem o material de partida em etanol e dióxido de carbono.

As equações químicas abaixo resumem a conversão:

Se o material de partida for o amido, por exemplo, do milho, o amido deve ser convertido em açúcar. Para o bioetanol utilizado como combustível, é necessária a hidrólise para a conversão do amido. Normalmente, a hidrólise é acelerada por um tratamento ácido ou enzimático ou pela combinação de ambos. Normalmente, a fermentação é efectuada a cerca de 35-40 °C.
Visão geral dos vários processos de fermentação:

Alimentação :

• produção & preservação
• produtos lácteos (fermentação do ácido lático), por exemplo, iogurte, leitelho, kefir
• vegetais de fermentação láctica, por exemplo, kimchi, miso, natto, tsukemono, chucrute
• desenvolvimento de aromas, por exemplo, molho de soja
• decomposição de agentes de curtimento, por exemplo, chá, cacau, café, tabaco
• bebidas alcoólicas, por exemplo, cerveja, vinho, uísque

Medicamentos :

• produção de compostos médicos, por exemplo, insulina, ácido hialurónico

Biogás/Etanol :

• melhoria da produção de biogás/bioetanol

Vários trabalhos de investigação e testes em bancada e em tamanho piloto mostraram que os ultra-sons melhoram o processo de fermentação, disponibilizando mais biomassa para a fermentação enzimática. Na secção seguinte, serão apresentados os efeitos dos ultra-sons num líquido.

Efeitos do processamento de líquidos por ultra-sons

Através dos ultra-sons de alta potência/baixa frequência podem ser geradas amplitudes elevadas. Deste modo, os ultra-sons de alta potência/baixa frequência podem ser utilizados para o processamento de líquidos, tais como mistura, emulsificação, dispersão e desaglomeração, ou moagem.
Ao sonicar líquidos a altas intensidades, as ondas sonoras que se propagam no meio líquido resultam em ciclos alternados de alta pressão (compressão) e baixa pressão (rarefação), com taxas que dependem da frequência. Durante o ciclo de baixa pressão, as ondas ultra-sónicas de alta intensidade criam pequenas bolhas de vácuo ou espaços vazios no líquido. Quando as bolhas atingem um volume em que já não conseguem absorver energia, entram em colapso violento durante um ciclo de alta pressão. Este fenómeno é designado por cavitação. cavitação, ou seja “a formação, crescimento e colapso implosivo de bolhas num líquido. O colapso cavitacional produz um intenso aquecimento local (~5000 K), altas pressões (~1000 atm) e enormes taxas de aquecimento e arrefecimento (>109 K/seg)” e correntes de jato líquidas (~400 km/h)". (Suslick 1998)

Existem diferentes meios para criar cavitação, tais como bicos de alta pressão, misturadores rotor-estator ou processadores ultra-sónicos. Em todos esses sistemas, a energia de entrada é transformada em fricção, turbulências, ondas e cavitação. A fração da energia de entrada que é transformada em cavitação depende de vários factores que descrevem o movimento do equipamento gerador de cavitação no líquido. A intensidade da aceleração é um dos factores mais importantes que influenciam a transformação eficiente da energia em cavitação. Uma maior aceleração cria maiores diferenças de pressão. Isto, por sua vez, aumenta a probabilidade da criação de bolhas de vácuo em vez da criação de ondas que se propagam através do líquido. Assim, quanto maior for a aceleração, maior é a fração da energia que é transformada em cavitação.
No caso de um transdutor ultrassónico, a amplitude da oscilação descreve a intensidade da aceleração. Amplitudes mais elevadas resultam numa criação mais eficaz de cavitação. Para além da intensidade, o líquido deve ser acelerado de forma a criar perdas mínimas em termos de turbulências, fricção e geração de ondas. Para tal, a forma ideal é uma direção de movimento unilateral. Alterando a intensidade e os parâmetros do processo de sonicação, os ultra-sons podem ser muito duros ou muito moles. Isto torna os ultra-sons uma ferramenta muito versátil para várias aplicações.

As aplicações suaves, que aplicam uma sonicação suave em condições suaves, incluem desgaseificação, Emulsãoe ativação enzimática. As aplicações difíceis com ultra-sons de alta intensidade/alta potência (principalmente sob pressão elevada) são Moagem húmida, Desaglomeração & redução do tamanho das partículas, e Dispersão. Para muitas aplicações, tais como Extração, desintegração ou SonoquímicaA intensidade ultra-sónica requerida depende do material específico a ser sonicado. Através da variedade de parâmetros, que podem ser adaptados ao processo individual, os ultra-sons permitem encontrar o ponto ideal para cada processo individual.
Além de uma excelente conversão de energia, a ultrassonografia oferece a grande vantagem de um controlo total sobre os parâmetros mais importantes: Amplitude, Pressão, Temperatura, Viscosidade e Concentração. Isto oferece a possibilidade de ajustar todos estes parâmetros com o objetivo de encontrar os parâmetros de processamento ideais para cada material específico. Isto resulta numa maior eficácia, bem como numa eficiência optimizada.

Ultra-sons para melhorar os processos de fermentação, explicados exemplarmente com a produção de bioetanol

O bioetanol é um produto da decomposição da biomassa ou de matérias biodegradáveis dos resíduos por bactérias anaeróbias ou aeróbias. O etanol produzido é utilizado principalmente como biocombustível. Este facto faz do bioetanol uma alternativa renovável e ecológica aos combustíveis fósseis, como o gás natural.
Para produzir etanol a partir da biomassa, podem ser utilizados como matéria-prima o açúcar, o amido e o material lignocelulósico. Para a produção industrial, o açúcar e o amido são atualmente predominantes por serem economicamente favoráveis.
A forma como os ultra-sons melhoram um processo individual do cliente com matéria-prima específica sob determinadas condições pode ser experimentada de forma muito simples através de testes de viabilidade. Numa primeira fase, a sonicação de uma pequena quantidade da pasta de matéria-prima com um aparelho de ultra-sons dispositivo de laboratório se os ultra-sons afectarem a matéria-prima.

ensaio de viabilidade

Na primeira fase de testes, é adequado introduzir uma quantidade relativamente elevada de energia ultra-sónica num pequeno volume de líquido, aumentando assim a possibilidade de ver se é possível obter algum resultado. Um pequeno volume de amostra também encurta o tempo de utilização de um dispositivo de laboratório e reduz os custos dos primeiros testes.
As ondas de ultra-sons são transmitidas pela superfície do sonotrodo para o líquido. Junto à superfície do sonotrodo, a intensidade dos ultra-sons é mais intensa. Assim, são preferíveis distâncias curtas entre o sonotrodo e o material sonicado. Quando um pequeno volume de líquido é exposto, a distância do sonotrodo pode ser mantida curta.
A tabela abaixo mostra os níveis típicos de energia/volume para processos de sonicação após otimização. Uma vez que os primeiros ensaios não serão executados na configuração óptima, a intensidade e o tempo de sonicação de 10 a 50 vezes do valor típico mostrarão se existe algum efeito no material sonicado ou não.

processo	Energia/ volume	Volume da amostra	Potência	Tempo
simples	< 100Ws/mL	10mL	50W	< 20 segundos
Médio	100Ws/mL a 500Ws/mL	10mL	50W	20 a 100 seg.
Difícil	> 500Ws/mL	10mL	50W	>100 seg

Quadro 1 – Valores típicos de sonicação após otimização do processo

A potência de entrada real dos ensaios pode ser registada através do registo de dados integrado (UP200Ht e UP200St), interface PC ou por medidor de energia. Em combinação com os dados registados da regulação da amplitude e da temperatura, os resultados de cada ensaio podem ser avaliados e pode ser estabelecido um resultado final para a energia/volume.
Se, durante os testes, tiver sido escolhida uma configuração óptima, o desempenho desta configuração poderá ser verificado durante uma etapa de otimização e poderá, finalmente, ser aumentado para o nível comercial. Para facilitar a otimização, recomenda-se vivamente que se examinem também os limites da sonicação, por exemplo, a temperatura, a amplitude ou a energia/volume para formulações específicas. Como o ultrassom pode gerar efeitos negativos para as células, produtos químicos ou partículas, os níveis críticos para cada parâmetro precisam ser examinados, a fim de limitar a seguinte otimização para a gama de parâmetros onde os efeitos negativos não são observados. Para o estudo de viabilidade, recomendam-se pequenas unidades de laboratório ou de bancada para limitar as despesas com equipamento e amostras em tais ensaios. Geralmente, as unidades de 100 a 1.000 Watts servem muito bem os objectivos do estudo de viabilidade. (cf. Hielscher 2005)

Otimização

Os resultados obtidos durante os estudos de viabilidade podem mostrar um consumo de energia bastante elevado relativamente ao pequeno volume tratado. Mas o objetivo do teste de viabilidade é, em primeiro lugar, mostrar os efeitos dos ultra-sons no material. Se nos ensaios de viabilidade se verificarem efeitos positivos, devem ser envidados mais esforços para otimizar a relação energia/volume. Isto significa explorar a configuração ideal dos parâmetros de ultra-sons para obter o maior rendimento utilizando a menor energia possível para tornar o processo economicamente mais razoável e eficiente. Para encontrar a configuração ideal dos parâmetros – a obtenção dos benefícios pretendidos com um consumo mínimo de energia - a correlação entre os parâmetros mais importantes amplitude, pressão, temperatura e líquido composição tem de ser investigada. Nesta segunda etapa, recomenda-se a mudança da sonicação em lote para uma configuração de sonicação contínua com reator de célula de fluxo, uma vez que o parâmetro importante da pressão não pode ser influenciado para a sonicação em lote. Durante a sonicação num lote, a pressão é limitada à pressão ambiente. Se o processo de sonicação passar por uma câmara de célula de fluxo pressurizável, a pressão pode ser elevada (ou reduzida), o que, em geral, afecta o processo de ultra-sons cavitação drasticamente. Utilizando uma célula de fluxo, a correlação entre a pressão e a eficiência do processo pode ser determinada. Processadores ultra-sónicos entre 500 watts e 2000 watts de potência são os mais adequados para otimizar um processo.

Aumento de escala para produção comercial

Se a configuração ideal tiver sido encontrada, o aumento de escala é simples, uma vez que os processos ultra-sónicos são totalmente reproduzível numa escala linear. Isto significa que, quando os ultra-sons são aplicados a uma formulação líquida idêntica sob uma configuração de parâmetros de processamento idêntica, é necessária a mesma energia por volume para obter um resultado idêntico, independentemente da escala de processamento. (Hielscher 2005). Isto torna possível implementar a configuração óptima dos parâmetros de ultra-sons à escala de produção total. Praticamente, o volume que pode ser processado por ultra-sons é ilimitado. Os sistemas de ultra-sons comerciais com até 16.000 watts por unidade estão disponíveis e podem ser instalados em grupos. Estes grupos de processadores ultra-sónicos podem ser instalados em paralelo ou em série. Através da instalação em grupo de processadores ultra-sónicos de alta potência, a potência total é quase ilimitada, pelo que podem ser processados fluxos de grande volume sem problemas. Além disso, se for necessária uma adaptação do sistema de ultra-sons, por exemplo, para ajustar os parâmetros a uma formulação líquida modificada, isso pode ser feito principalmente mudando o sonotrodo, o booster ou a célula de fluxo. A escalabilidade linear, a reprodutibilidade e a adaptabilidade dos ultra-sons tornam esta tecnologia inovadora eficiente e económica.

Parâmetros do processamento por ultra-sons

O processamento de líquidos por ultra-sons é descrito por uma série de parâmetros. Os mais importantes são a amplitude, a pressão, a temperatura, a viscosidade e a concentração. O resultado do processo, tal como o tamanho das partículas, para uma determinada configuração de parâmetros é uma função da energia por volume processado. A função muda com alterações nos parâmetros individuais. Além disso, a potência real de saída por área de superfície do sonotrodo de uma unidade ultra-sónica depende dos parâmetros. A potência de saída por área de superfície do sonotrodo é a intensidade de superfície (I). A intensidade da superfície depende da amplitude (A), da pressão (p), do volume do reator (VR), da temperatura (T), da viscosidade (η) e de outros parâmetros.

O impacto da cavitação gerada depende da intensidade da superfície. Da mesma forma, o resultado do processo está correlacionado. A potência total de saída de uma unidade ultra-sónica é o produto da intensidade da superfície (I) e da área da superfície (S):

P [W] I [W / mm²]* s[mm²]

amplitude

A amplitude da oscilação descreve o caminho (por exemplo, 50 µm) que a superfície do sonotrodo percorre num determinado tempo (por exemplo, 1/20.000s a 20kHz). Quanto maior for a amplitude, maior é a taxa a que a pressão baixa e aumenta em cada curso. Para além disso, a deslocação do volume de cada curso aumenta, resultando num maior volume de cavitação (tamanho e/ou número de bolhas). Quando aplicadas a dispersões, as amplitudes mais elevadas revelam uma maior capacidade de destruição das partículas sólidas. A Tabela 1 apresenta valores gerais para alguns processos ultra-sónicos.

Pressão

O ponto de ebulição de um líquido depende da pressão. Quanto maior for a pressão, maior é o ponto de ebulição, e vice-versa. A pressão elevada permite a cavitação a temperaturas próximas ou superiores ao ponto de ebulição. Também aumenta a intensidade da implosão, que está relacionada com a diferença entre a pressão estática e a pressão de vapor no interior da bolha (cf. Vercet et al. 1999). Uma vez que a potência e a intensidade ultra-sónicas se alteram rapidamente com as variações de pressão, é preferível utilizar uma bomba de pressão constante. Ao fornecer líquido a uma célula de fluxo, a bomba deve ser capaz de lidar com o fluxo específico de líquido a pressões adequadas. As bombas de membrana ou de diafragma; as bombas de tubo flexível, de mangueira ou de compressão; as bombas peristálticas; ou as bombas de pistão ou de êmbolo criarão flutuações de pressão alternadas. São preferíveis as bombas centrífugas, as bombas de engrenagem, as bombas em espiral e as bombas de cavidade progressiva que fornecem o líquido a ser sonicado a uma pressão continuamente estável. (Hielscher 2005)

temperatura

Ao sonicar um líquido, a energia é transmitida para o meio. Como a oscilação gerada por ultra-sons provoca turbulências e fricção, o líquido sonicado - de acordo com a lei da termodinâmica – irá aquecer. Temperaturas elevadas do meio processado podem ser destrutivas para o material e diminuir a eficácia da cavitação ultra-sónica. As células de fluxo ultra-sónicas inovadoras estão equipadas com uma camisa de arrefecimento (ver imagem). Deste modo, é dado o controlo exato da temperatura do material durante o processamento ultrassónico. Para a sonicação em copo de volumes mais pequenos, recomenda-se um banho de gelo para dissipação de calor.

Viscosidade e concentração

ultrassónico Fresagem e Dispersão são processos líquidos. As partículas têm de estar em suspensão, por exemplo, em água, óleo, solventes ou resinas. Através da utilização de sistemas de fluxo ultrassónico, torna-se possível sonicar material muito viscoso e pastoso.
O processador ultrassónico de alta potência pode funcionar com concentrações de sólidos bastante elevadas. Uma concentração elevada proporciona a eficácia do processamento por ultra-sons, uma vez que o efeito de moagem por ultra-sons é causado pela colisão entre partículas. As investigações mostraram que a taxa de quebra da sílica é independente da concentração de sólidos até 50% em peso. O processamento de lotes principais com rácio de material altamente concentrado é um procedimento de produção comum utilizando ultra-sons.

Potência e intensidade vs. energia

A intensidade da superfície e a potência total descrevem apenas a intensidade do processamento. O volume da amostra sonicada e o tempo de exposição a uma determinada intensidade têm de ser considerados para descrever um processo de sonicação, a fim de o tornar escalável e reprodutível. Para uma dada configuração de parâmetros, o resultado do processo, por exemplo, o tamanho das partículas ou a conversão química, dependerá da energia por volume (E/V).

Resultado = F (E /V )

Em que a energia (E) é o produto da potência de saída (P) e do tempo de exposição (t).

E[Ws] = P[W]*t[s]

As alterações na configuração dos parâmetros alteram a função de resultado. Isto, por sua vez, irá variar a quantidade de energia (E) necessária para um determinado valor de amostra (V) para obter um valor de resultado específico. Por este motivo, não é suficiente aplicar uma determinada potência de ultra-sons a um processo para obter um resultado. É necessária uma abordagem mais sofisticada para identificar a potência necessária e a configuração do parâmetro em que a potência deve ser colocada no material do processo. (Hielscher 2005)

Produção de bioetanol assistida por ultra-sons

Já se sabe que os ultra-sons melhoram a produção de bioetanol. É recomendável para engrossar o líquido com biomassa para uma pasta altamente viscosa que ainda é bombeável. Os reactores de ultra-sons podem lidar com concentrações sólidas bastante elevadas para que o processo de sonicação possa ser executado de forma mais eficiente. Quanto mais material estiver contido na pasta, menos líquido transportador, que não lucrará com o processo de sonicação, será tratado. Como a entrada de energia num líquido causa um aquecimento do líquido pela lei da termodinâmica, isto significa que a energia ultra-sónica é aplicada ao material alvo, tanto quanto possível. Através de uma conceção de processo tão eficiente, evita-se um aquecimento desnecessário do líquido de transporte em excesso.
O ultrassom auxilia o Extração do material intracelular e torna-o assim disponível para a fermentação enzimática. O tratamento com ultra-sons ligeiros pode aumentar a atividade enzimática, mas para a extração da biomassa são necessários ultra-sons mais intensos. Por conseguinte, as enzimas devem ser adicionadas à pasta de biomassa após a sonicação, uma vez que os ultra-sons intensos inactivam as enzimas, o que não é um efeito desejado.

Resultados actuais alcançados pela investigação científica:

Os estudos de Yoswathana et al. (2010) relativos à produção de bioetanol a partir de palha de arroz mostraram que a combinação de pré-tratamento ácido e ultrassónico antes do tratamento enzimático conduz a um aumento do rendimento em açúcar de até 44% (com base na palha de arroz). Este facto demonstra a eficácia da combinação de pré-tratamentos físicos e químicos antes da hidrólise enzimática do material lenhinocelulósico em açúcar.

O gráfico 2 ilustra graficamente os efeitos positivos da irradiação ultra-sónica durante a produção de bioetanol a partir da palha de arroz. (O carvão vegetal foi utilizado para desintoxicar as amostras pré-tratadas do pré-tratamento ácido/enzimático e do pré-tratamento por ultra-sons).

Em outro estudo recente, a influência da ultrassonografia sobre os níveis extracelulares e intracelulares da enzima β-galactosidase foi examinada. Sulaiman et al. (2011) poderia melhorar a produtividade da produção de bioetanol substancialmente, usando ultrassom a uma temperatura controlada estimulando o crescimento de levedura de Kluyveromyces marxianus (ATCC 46537). Os autores do artigo retoma que a sonicação intermitente com ultrassom de energia (20 kHz) em ciclos de trabalho de ≤20% estimulou a produção de biomassa, metabolismo da lactose e produção de etanol em K. marxianus em uma intensidade de sonicação relativamente alta de 11,8Wcm^-2. Nas melhores condições, a sonicação aumentou a concentração final de etanol em quase 3,5 vezes em relação ao controlo. Isto correspondeu a um aumento de 3,5 vezes na produtividade do etanol, mas exigiu 952W de potência adicional por metro cúbico de caldo através da sonicação. Este requisito adicional de energia estava certamente dentro das normas operacionais aceitáveis para os bioreactores e, para produtos de elevado valor, poderia ser facilmente compensado pelo aumento da produtividade.

Conclusão: Benefícios da Fermentação Assistida por Ultra-sons

O tratamento por ultra-sons tem-se revelado uma técnica eficiente e inovadora para aumentar o rendimento do bioetanol. Em primeiro lugar, os ultra-sons são utilizados para extrair material intracelular da biomassa, como o milho, a soja, a palha, o material ligno-celulósico ou os resíduos vegetais.

• Aumento do rendimento do bioetanol
• Desinteração/destruição celular e libertação de material intracelular
• Melhoria da decomposição anaeróbia
• Ativação de enzimas por sonicação suave
• Melhoria da eficiência do processo através de lamas de elevada concentração

Os testes simples, o aumento de escala reprodutível e a fácil instalação (também em fluxos de produção já existentes) fazem dos ultra-sons uma tecnologia rentável e eficiente. Estão disponíveis processadores ultra-sónicos industriais fiáveis para processamento comercial, que permitem sonicar volumes de líquidos praticamente ilimitados.