Evaluation of the acid pretreatment of agroindustrial waste assisted by high-intensity ultrasound for further bioethanol production

Abstract

[ES] El pre-tratamiento de los residuos de la agroindustria es una de las etapas más complejas del proceso de conversión de biomasa en bioetanol. Esta etapa consiste basicamente en aplicar tratamientos físicos o químicos a la biomasa con el objetivo de conseguir la hidrolización parcial de los carbohidratos y que ésos se vuelvan más acesibles para la posterior actuación de enzimas y microrganismos. En este sentido, el uso de ultrasonidos de alta intensidad se ha mostrado como una tecnología con un potencial interesante para, en combinación con métodos convencionales, intensificar los procesos de transporte de materia y energía. En el presente estudio se caracterizaron algunos residuos agroindustriales, concretamente el bagazo de yuca, cáscaras de cacahuetes y residuos de alcachofa, como ejemplos de materias potenciales para la producción de bioetanol después del pre-tratamiento ácido, con y sin la aplicación de ultrasonidos. Así, se caracterizaron los diferentes sistemas biomasa/soluciones ácidas de acuerdo con sus propiedades termofísicas (densidad, calor específico, difusividad térmica y conductividad térmica) y comportamiento reológico. Además, se caracterizó el campo acústico generado en cada uno de los diferentes sistemas mediante un método calorimétrico y se establecieron relaciones entre las medidas acústicas y las propiedades termofísicas y reológicas. Posteriormente, se determinaron las cinéticas de liberación de azúcares reductores y totales y los cambios estructurales producidos en las suspensiones consideradas durante los pretratamientos en disoluciones ácidas, realizados con agitación convencional o asistidos por ultrasonidos. Los resultados obtenidos indicaron que las suspensiones con alta concentración de ácido y alto contenido de sólidos presentaron una menor capacidad de transferencia de calor, debido a los valores más altos de calor específico, difusividad térmica, conductividad térmica. Estas mismas suspensiones presentaron también valores más altos de densidad y viscosidad, lo que indica una mayor resistencia al flujo. Esto se atribuye, no solo a la alta viscosidad, sino también a la aparición de un comportamiento reológico no-Newtoniano, como se observó a partir del ajuste del modelo de Herschel-Bulkley. Así, en suspensiones de cáscaras de cachuetes o de bagazo de yuca con concentraciones de sólidos de 8% y 6%, respectivamente, se observó una tensión residual considerable y un comportamiento pseudoplástico. La temperatura también presentó un efecto significativo en las propiedades termofísicas. Aunque el efecto fue menos intenso, el incremento de temperatura facilitó la transferencia de calor y de cantidad de movimiento. Al aumentar las concentraciones de sólidos y ácido en las suspensiones, también se observó una reducción de la intensidad acústica generada durante la sonicación. Lo mismo pasó al realizar las mediciones de temperatura en puntos más lejanos de la punta de la sonda, indicando la atenuación de la energía acústica en el seno de las suspensiones. La eficiencia de conversión de energía eléctrica en energía acústica se incrementó por el aumento de la potencia nominal y/o la redución en la concentración de sólidos y ácido, mientras, el factor de atenuación de la intensidad acústica se mostró constante en 0.021 cm-1 en todas las condiciones estudiadas. Los datos de intensidad acústica se relacionaron bien con las propiedades físicas previamente determinadas presentado elevados coeficientes de correlación. Así, a una misma potencia nominal, la intensidad acústica aumentó en suspensiones con baja densidad y viscosidad. Por otra parte, se observaron mayores intensidades en suspensiones con mayor calor específico, difusividad térmica y conductividad térmica. La aplicación de ultrasonidos resultó más eficiente para acelerar el proceso de disolución de azúcares en medio acuoso que al proceso de agitación conve

[CA] El pretractament dels residus de l'agroindústria és una de les etapes més complexes del procés de conversió de biomassa a bioetanol. Aquesta etapa consisteix bàsicament en aplicar tractaments físics o químics a la biomassa per a conseguir que els carbohidrats siguin parcialment hidrolisats i siguen més accessibles per a la posterior actuació d'enzims i microorganismes. En aquest sentit, l'ús d'ultrasons d'alta intensitat s'ha mostrat com una tecnologia amb un potencial interessant per a, en combinació amb mètodes convencionals, intensificar els processos de transport de matèria i energia. En el present estudi, es van caracteritzar residus agroindustrials com el bagàs de iuca, corfes de cacauets i residus de carxofa com a matèries potencials per a la producció de bioetanol després del pretractament àcid, amb i sense l'aplicació d'ultrasons. Així, es van caracteritzar els diferents sistemes biomassa/solucions àcides d'acord amb les seves propietats termofísiques (densitat, calor específica, difusivitat tèrmica i conductivitat tèrmica) i comportament reològic. A més, es va caracteritzar el camp acústic generat en cada un dels diferents sistemes mitjançant un mètode calorimètric i es van establir relacions entre les mesures acústiques i les propietats termofísiques i reològiques. Posteriorment, es van determinar les cinètiques d'alliberament de sucres reductors i totals i els canvis estructurals produïts en les suspensions considerades durant els pretractaments en dissolucions àcides realitzats amb agitació convencional o assistits per ultrasons. Els resultats obtinguts van indicar que les suspensions amb alta concentració d'àcid i alt contingut de sòlids van presentar una menor capacitat de transferència de calor, donada per valors més alts per calor específica, difusivitat tèrmica, conductivitat tèrmica. Les mateixes suspensions van presentar valors més alts de densitat i viscositat, el que indica una major resistència al flux. Això es pot atribuir, no només a l'alta viscositat, però també a l'aparició de un comportament reològic no-newtonià, com es va observar a partir de l'ajust del model de Herschel-Bulkley. Aixi, en suspensions de corfes de cacauets o bagàs de yuca amb concentracions de sòlids de 8% i 6%, respectivament, es va observar una tensió residual considerable i un comportament pseudoplàstic. La temperatura també va presentar un efecte significatiu en les propietats termofísiques. Encara que l'efecte sigui menys intens, l'increment de temperatura va facilitar la transferència de calor i de quantitat de moviment. En augmentar les concentracions de sòlids i àcid, també es va observar una reducció de la intensitat acústica generada en les suspensions durant la sonicació. El mateix es va passar al realitzar els mesuraments en punts més llunyans de la sonda, indicant l'atenuació d'energia acústica. L'eficiència de conversió d'energia elèctrica en energia acústica va poder ser millorada per l'augment de la potència nominal i/o redución en la concentració de sòlids i àcid, mentre el factor d'atenuació de la intensitat acústica es va mostrar constant en 0.021 cm-1 en les condicions estudiades. Les dades d'intensitat acústica es van relacionar bé amb les propietats físiques prèviament determinades amb alts coeficients de correlació. A una mateixa potència nominal, la intensitat acústica es va augmentar en suspensions amb baixa densitat i viscositat. D'altra banda, es van observar majors intensitats en suspensions amb més calor específica, difusivitat tèrmica i conductivitat tèrmica. L'aplicación d'ultrasons van reultar més eficient per accelerar el procés de dissolució de sucres en medi aquós que el procés d'agitació convencional. A més, els ultrasons van ser eficients per hidrolitzar la biomassa en condicions d'àcid i temperatura més suaus que els utilitzats convencionalment, principalment en el cas de les suspensions més

[EN] The pre-treatment of agroindustrial wastes is one of the most complex steps of their conversion process into bioethanol. This step consists basically of applying physical or chemical treatments in biomass in order to obtain carbohydrates partially hydrolyzed and more accessible for future action of enzymes and microorganisms. In this sense, the use of high-intensity ultrasound has been shown as a technology with an interesting potential, in combination with conventional methods, to enhance the mass and energy transfer processes. In the present study, it was characterized agroindustrial residues such as cassava bagasse, peanut shells and artichoke residues as potential materials for the production of bioethanol after acid pre-treatment with and without the application of ultrasound. Thus, the different biomass/acid solutions systems were characterized according to their thermophysical properties (density, specific heat, thermal diffusivity and thermal conductivity) and rheological behavior. The acoustic fields generated in these different systems during ultrasound application were also characterized by a calorimetric method. Then, the ultrasonic intensity obtained in each case was related to the termophysical and reological properties. Subsequently, the kinetics of reducing and total sugar release and the structural changes produced in the suspensions considered during the pretreatments in acid solutions with conventional agitation or assisted by ultrasound were determined. The results obtained indicated that suspensions with higher acid concentration and higher solids content showed lower heat transfer capacity, given by the higher values for specific heat, thermal diffusivity, thermal conductivity. The same suspensions presented higher values of density and viscosity, which leads to greater resistance to flow. This fact was attributed, not only to the high viscosity, but also to the appearance of non-Newtonian rheological behavior as showed by the fitting of Herschel-Bulkley model. In these cases, the suspensions containing peanut shells or cassava bagasse showed noticeable yield stress and shear-thinning behavior above solids concentration of 8% and 6%, respectively. Temperature also had a significant effect on thermophysical properties. Although the effect was less intense than the other variables, the increase in temperature made easier the heat and momentum transfer. The increase of solids and acid concentration in the suspensions produced a reduction of the acoustic intensity generated during sonication. The same fact was observed when the distance from the probe where measurements were taken increased, indicating the occurrence of attenuation of acoustic energy. The conversion yield of electrical energy into acoustic energy could be improved by increasing the nominal power and/or reducing the concentration of solids and acid, while the attenuation factor of the acoustic intensity remained constant at 0.021 cm-1 for the conditions studied. The acoustic intensity data correlated well with the physical properties previously determined, as showed the high correlation coefficients obtained. At the same acoustic power, the acoustic intensity was increased in suspensions with low density and viscosity. On the other hand, higher acoustic intensities were found for suspensions with higher specific heat, thermal diffusivity and thermal conductivity. The ultrasound application was efficient to accelerate the sugar dissolution process in aqueous medium when compared to the conventional agitation. In addition, the ultrasound was efficient for hydrolyzing the biomass under milder conditions of acid and temperature than those conventionally used, mainly in the case of the diluted suspensions in solids studied. This could be observed both by the reducing and total sugar release experimental data as well as by the fitting of the Naik model. On the other hand, greater effects were observed in the biomass microstructure (cont.)