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Biorrefinería

La planta de biorrefinería de Alpena en Estados Unidos. Una biorrefinería es una refinería que convierte biomasa en energía y otros subproductos beneficiosos (como productos quí...

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La planta de biorrefinería de Alpena en Estados Unidos.

Una biorrefinería es una refinería que convierte biomasa en energía y otros subproductos beneficiosos (como productos químicos). El Grupo de Trabajo 42 de Bioenergía de la Agencia Internacional de Energía definió la biorrefinería como "el procesamiento sostenible de biomasa en un espectro de productos de base biológica (alimentos, piensos, productos químicos, materiales) y bioenergía (biocombustibles, electricidad y/o calor)". [ 1 ] Como refinerías, las biorrefinerías pueden proporcionar múltiples productos químicos al fraccionar una materia prima inicial (biomasa) en múltiples intermedios (carbohidratos, proteínas, triglicéridos) que pueden convertirse posteriormente en productos de valor añadido. [ 2 ] Cada fase de refinación también se denomina "fase en cascada". [ 3 ] [ 4 ] El uso de biomasa como materia prima puede proporcionar un beneficio al reducir los impactos en el medio ambiente, como menores emisiones de contaminantes y reducción de las emisiones de productos peligrosos. [ 5 ] Además, las biorrefinerías están destinadas a lograr los siguientes objetivos: [ 6 ]

  1. Suministrar los combustibles y componentes químicos actuales.
  2. Suministrar nuevos componentes básicos para la producción de materiales novedosos con características disruptivas.
  3. Creación de nuevos puestos de trabajo, incluidas las zonas rurales.
  4. Valorización de residuos (agrícolas, urbanos e industriales)
  5. Lograr el objetivo final de reducir las emisiones de GEI.

Clasificación de los sistemas de biorrefinería

Diagrama químico de la actividad de una biorrefinería.

Las biorrefinerías se pueden clasificar en función de cuatro características principales: [ 7 ]

  1. Plataformas: Se refiere a los principales intermediarios entre la materia prima y el producto final. Los intermediarios más importantes son:
  2. Productos: Las biorrefinerías se pueden agrupar en dos categorías principales según la conversión de biomasa en un producto energético o no energético. En esta clasificación se debe identificar el mercado principal:
    • Sistemas de biorrefinería impulsados ​​por energía: El producto principal es un segundo portador de energía, como biocombustibles, electricidad y calor.
    • Sistemas de biorrefinería basados ​​en materiales: El producto principal es un producto de base biológica.
  3. Materias primas: Materias primas específicas (cultivos de azúcar, cultivos de almidón, cultivos lignocelulósicos , cultivos oleaginosos, pastos, biomasa marina); y residuos (residuos oleaginosos, residuos lignocelulósicos, residuos orgánicos y otros).
  4. Procesos: Proceso de conversión para transformar la biomasa en un producto final:
    • Mecánico/físico: Se conserva la estructura química de los componentes de la biomasa. Esta operación incluye prensado, molienda, separación, destilación, entre otros.
    • Bioquímicos: Procesos que se realizan a baja temperatura y presión, utilizando microorganismos o enzimas.
    • Procesos químicos: El sustrato sufre un cambio por la acción de un agente químico externo (por ejemplo, hidrólisis, transesterificación, hidrogenación, oxidación, pulpado).
    • Termoquímico: Se aplican condiciones severas a la materia prima (alta presión y alta temperatura, con o sin catalizador).

Las características mencionadas anteriormente se utilizan para clasificar los sistemas de biorrefinerías según el siguiente método:

  1. Identificar la materia prima, las principales tecnologías incluidas en el proceso, la plataforma y los productos finales.
  2. Dibuja el esquema de la refinería utilizando las características identificadas en el paso 1.
  3. Etiquete el sistema de refinería según corresponda, citando el número de plataformas, productos, materias primas y procesos involucrados.
  4. Elabore una tabla con las características identificadas y la fuente de demanda de energía interna.

Algunos ejemplos de clasificaciones son:

  • Biorrefinería de plataforma de azúcares C6 para la producción de bioetanol y alimento para animales a partir de cultivos ricos en almidón.
  • Biorrefinería de plataforma de gas de síntesis para la producción de diésel FT y fenoles a partir de paja.
  • Plataforma de biorrefinería para azúcares C6 y C5 y gas de síntesis, destinada a la producción de bioetanol, diésel FT y furfural a partir de residuos de aserraderos .

Viabilidad económica de los sistemas de biorrefinería

(a) Recuento de biorrefinerías celulósicas operativas, planificadas y en construcción con tecnología de conversión bioquímica, (b) distribución mundial de plantas y (c) porcentajes de residuos de maíz, trigo, arroz, cebada y caña de azúcar como materia prima a partir de 2015.

La evaluación tecnoeconómica (ETE) es una metodología para evaluar si una tecnología o proceso es económicamente atractivo. La investigación en ETE se ha desarrollado para proporcionar información sobre el desempeño del concepto de biorrefinería en diversos sistemas de producción, como ingenios azucareros, producción de biodiesel , fábricas de pulpa y papel, y el tratamiento de residuos sólidos industriales y municipales .

Las plantas de bioetanol y los ingenios azucareros son procesos bien establecidos donde se puede implementar el concepto de biorrefinería ya que el bagazo de caña de azúcar es una materia prima viable para producir combustibles y productos químicos; [ 8 ] el bioetanol lignocelulósico (2G) se produce en Brasil en dos plantas con capacidades de 40 y 84 Ml/año (alrededor del 0,4% de la capacidad de producción en Brasil). [ 9 ] El TEA de la producción de etanol utilizando licuefacción suave de bagazo más sacarificación y cofermentación simultáneas muestra un precio de venta mínimo entre 50,38 y 62,72 centavos de dólar estadounidense/L que es comparable con el precio de mercado. [ 10 ] Se ha evaluado la producción de xilitol, ácido cítrico y ácido glutámico a partir de lignocelulosa de caña de azúcar (bagazo y residuos de cosecha), cada uno en combinación con electricidad; [ 11 ] los tres sistemas de biorrefinería se simularon para ser anexados a un ingenio azucarero existente en Sudáfrica. La producción de xilitol y ácido glutámico ha demostrado viabilidad económica con una tasa interna de retorno (TIR) ​​del 12,3 % y del 31,5 %, superando la TIR del caso base (10,3 %). Asimismo, se ha estudiado la producción de etanol, ácido láctico o metanol y etanol-ácido láctico a partir de bagazo de caña de azúcar; [ 12 ] el ácido láctico demostró ser económicamente atractivo al mostrar el mayor valor actual neto (M$476–1278); de la misma manera; la producción de etanol y ácido láctico como coproducto resultó ser un escenario favorable (valor actual neto entre M$165 y M$718) ya que este ácido tiene aplicaciones en la industria farmacéutica, cosmética, química y alimentaria.

En cuanto a la producción de biodiesel, esta industria también tiene el potencial de integrar sistemas de biorrefinería para convertir biomasas residuales y desechos en biocombustible, calor, electricidad y productos verdes de base biológica. [ 13 ] El glicerol es el principal coproducto en la producción de biodiesel y puede transformarse en productos valiosos a través de tecnologías quimiocatalíticas; se ha evaluado la valorización del glicerol para la producción de ácido láctico, ácido acrílico , alcohol alílico , propanodioles y carbonato de glicerol ; [ 14 ] todas las rutas de valorización del glicerol han demostrado ser rentables, siendo la más atractiva la fabricación de carbonato de glicerol. Los racimos de frutos vacíos de palma (EFB) son residuos lignocelulósicos abundantes de la industria del aceite de palma /biodiesel. La conversión de este residuo en etanol, calor y energía, y alimento para ganado se evaluó de acuerdo con principios tecnoeconómicos. [ 15 ] Los escenarios estudiados mostraron beneficios económicos reducidos, aunque su implementación representó una reducción en el impacto ambiental (cambio climático y agotamiento de combustibles fósiles) en comparación con la producción tradicional de biodiesel. Se estudió la viabilidad económica de la producción de bioaceite a partir de EFB mediante pirólisis rápida utilizando el lecho fluidizado. [ 16 ] Potencialmente, se puede producir bioaceite crudo a partir de EFB con un valor de producto de 0,47 $/kg con un período de recuperación y un retorno de la inversión de 3,2 años y 21,9 %, respectivamente. La integración de microalgas y Jatropha como una ruta viable para la producción de biocombustibles y bioquímicos se ha analizado en el contexto de los Emiratos Árabes Unidos (EAU). [ 17 ] Se examinaron tres escenarios; En todos ellos se produce biodiésel y glicerol; en el primer escenario se produce biogás y fertilizante orgánico mediante fermentación anaeróbica de torta de frutos y torta de semillas de Jatropha ; el segundo escenario incluye la producción de lípidos a partir de Jatropha y microalgas para producir biodiésel y la producción de alimento para animales, biogás y fertilizante orgánico; el tercer escenario implica la producción de lípidos a partir de microalgas para la producción de biodiésel, así como hidrógeno y alimento para animales como producto final; solo el primer escenario fue rentable.

En lo que respecta a la industria de la pulpa y el papel, la lignina es un polímero natural cogenerado y generalmente se utiliza como combustible de caldera para generar calor o vapor para cubrir la demanda de energía en el proceso. [ 18 ] Dado que la lignina representa entre el 10 y el 30 % en peso de la biomasa lignocelulósica disponible y es equivalente a aproximadamente el 40 % de su contenido energético, la economía de las biorrefinerías depende de los procesos rentables para transformar la lignina en combustibles y productos químicos de valor añadido. [ 19 ] Se ha estudiado la conversión de una fábrica de pulpa kraft sueca existente para la producción de pulpa disuelta, electricidad, lignina y hemicelulosa; [ 20 ] la autosuficiencia en términos de vapor y la producción de vapor excedente fue un factor clave para la integración de una planta de separación de lignina; en este caso, el digestor debe actualizarse para preservar el mismo nivel de producción y representa el 70 % del costo total de inversión de la conversión. Se ha estudiado el potencial del proceso kraft para producir bioetanol a partir de maderas blandas en una planta kraft reacondicionada o ubicada en el mismo lugar, [ 21 ] una recuperación de azúcar superior al 60% permite que el proceso sea competitivo para la producción de etanol a partir de madera blanda. Se ha investigado el reacondicionamiento de una planta de pulpa kraft para producir tanto etanol como dimetil éter ; [ 22 ] en el proceso, la celulosa se separa mediante un pretratamiento alcalino y luego se hidroliza y fermenta para producir etanol, mientras que el licor resultante que contiene lignina disuelta se gasifica y refina a dimetil éter; el proceso demuestra ser autosuficiente en términos de demanda de servicios calientes (vapor fresco) pero con un déficit de electricidad; el proceso puede ser factible, hablando económicamente, pero depende en gran medida del desarrollo de los precios de los biocombustibles. Se realizó la evaluación exergética y económica para la producción de catecol a partir de lignina para determinar su factibilidad; [ 23 ] Los resultados mostraron que la inversión total de capital fue de 4,9 millones de dólares con base en la capacidad de la planta de 2.544  kg/d de materia prima; además, el precio del catecol se estimó en 1.100 $/t y se encontró que la relación de valorización era de 3,02.

La alta generación de biomasa residual es una fuente atractiva para la conversión en productos valiosos , se han propuesto varias rutas de biorrefinería para mejorar los flujos de residuos en productos valiosos. La producción de biogás a partir de cáscara de plátano ( Musa x paradisiaca ) bajo el concepto de biorrefinería es una alternativa prometedora ya que es posible obtener biogás y otros coproductos incluidos etanol, xilitol, gas de síntesis y electricidad; este proceso también proporciona una alta rentabilidad para altas escalas de producción. [ 24 ] Se estudió la evaluación económica de la integración de la digestión anaeróbica de residuos orgánicos con otras tecnologías de fermentación anaeróbica de cultivos mixtos; [ 25 ] la mayor ganancia se obtiene por fermentación oscura de residuos de alimentos con separación y purificación de ácidos acético y butírico (47 USD/t de residuos de alimentos). Se analizó la viabilidad técnica, la rentabilidad y el alcance del riesgo de inversión para producir jarabes de azúcar a partir de residuos de alimentos y bebidas; [ 26 ] Los retornos de inversión han demostrado ser satisfactorios para la producción de jarabe de fructosa (9,4%), HFS42 (22,8%) y jarabe rico en glucosa (58,9%); los jarabes de azúcar también tienen una alta competitividad de costos con costos netos de producción relativamente bajos y precios de venta mínimos. Se ha estudiado la valorización de los residuos sólidos municipales a través de sistemas integrados de tratamiento mecánico-biológico-químico (MBCT) para la producción de ácido levulínico, [ 27 ] los ingresos por recuperación de recursos y generación de productos (sin incluir las tarifas de entrada) son más que suficientes para compensar las tarifas de recolección de residuos, los costos anuales de capital y operación.

Impacto ambiental de los sistemas de biorrefinería

Uno de los principales objetivos de las biorrefinerías es contribuir a una industria más sostenible mediante la conservación de los recursos y la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero y otros contaminantes. Sin embargo, la producción de productos de base biológica puede conllevar otros impactos ambientales, como el cambio de uso del suelo, la eutrofización del agua, la contaminación ambiental con plaguicidas o una mayor demanda de energía y materiales que generan cargas ambientales. [ 28 ] La evaluación del ciclo de vida (ACV) es una metodología para evaluar la carga ambiental de un proceso, desde la extracción de materias primas hasta su uso final. La ACV puede utilizarse para investigar los beneficios potenciales de los sistemas de biorrefinería; se han desarrollado múltiples estudios de ACV para analizar si las biorrefinerías son más respetuosas con el medio ambiente en comparación con las alternativas convencionales.

La materia prima es una de las principales fuentes de impactos ambientales en la producción de biocombustibles, la fuente de estos impactos está relacionada con la operación de campo para cultivar, manipular y transportar la biomasa hasta la puerta de la biorrefinería. [ 29 ] Los residuos agrícolas son la materia prima con el menor impacto ambiental seguido de los cultivos lignocelulósicos; y finalmente por los cultivos arables de primera generación, aunque los impactos ambientales son sensibles a factores como las prácticas de manejo de cultivos, los sistemas de cosecha y los rendimientos de los cultivos. [ 29 ] La producción de productos químicos a partir de materia prima de biomasa ha mostrado beneficios ambientales; se han estudiado productos químicos a granel a partir de materias primas derivadas de biomasa [ 30 ] [ 31 ] mostrando ahorros en el uso de energía no renovable y emisiones de gases de efecto invernadero.

La evaluación ambiental para el etanol de primera y segunda generación muestra que estos dos sistemas de biorrefinería pueden mitigar los impactos del cambio climático en comparación con la gasolina, pero se logran mayores beneficios en materia de cambio climático con la producción de etanol de segunda generación (hasta un 80 % de reducción). [ 32 ] La conversión de racimos de frutos vacíos de palma en productos valiosos (etanol, calor y energía, y alimento para el ganado) reduce el impacto del cambio climático y el agotamiento de los combustibles fósiles en comparación con la producción tradicional de biodiésel; pero los beneficios en cuanto a toxicidad y eutrofización son limitados. [ 15 ] El ácido propiónico producido por fermentación de glicerol conduce a una reducción significativa de las emisiones de GEI en comparación con las alternativas de combustibles fósiles; sin embargo, el aporte de energía es el doble y la contribución a la eutrofización es significativamente mayor. [ 33 ] El ACV para la integración de butanol a partir de prehidrolizado en una fábrica canadiense de pulpa disuelta Kraft muestra que la huella de carbono de este butanol puede ser un 5 % menor en comparación con la gasolina; pero no es tan baja como la del butanol de maíz (un 23 % menor que la de la gasolina). [ 34 ]

La mayoría de los estudios de ACV para la valorización de residuos alimentarios se han centrado en los impactos ambientales en la producción de biogás o energía, y solo unos pocos en la síntesis de productos químicos de alto valor añadido; [ 35 ] el hidroximetilfurfural (HMF) ha sido incluido como uno de los 10 principales productos químicos de base biológica por el Departamento de Energía de EE. UU.; el ACV de ocho rutas de valorización de residuos alimentarios para la producción de HMF muestra que la opción más favorable desde el punto de vista ambiental utiliza un catalizador menos contaminante (AlCl 3 ) y un cosolvente (acetona), y proporciona el mayor rendimiento de HMF (27,9 Cmol%), el agotamiento de metales y los impactos de toxicidad (ecotoxicidad marina, toxicidad en agua dulce y toxicidad humana) fueron las categorías con los valores más altos.

Biorrefinería en la industria de la pulpa y el papel

La industria de la pulpa y el papel se considera el primer sistema de biorrefinería industrializado; en este proceso industrial se producen otros coproductos, como aceite de tall, colofonia, vainillina y lignosulfonatos. [ 36 ] Además de estos coproductos, el sistema incluye la generación de energía (en forma de vapor y electricidad) para cubrir su demanda energética interna y tiene el potencial de suministrar calor y electricidad a la red. [ 37 ]

Esta industria se ha consolidado como la mayor consumidora de biomasa; y no solo utiliza madera como materia prima, sino que también es capaz de procesar residuos agrícolas como bagazo, paja de arroz y rastrojo de maíz . [ 38 ] Otras características importantes de esta industria son una logística bien establecida para la producción de biomasa, [ 39 ] evitar la competencia con la producción de alimentos por tierras fértiles y presentar mayores rendimientos de biomasa. [ 40 ]

Ejemplos

La empresa Blue Marble Energy, que ya está en pleno funcionamiento, cuenta con varias biorrefinerías ubicadas en Odessa, Washington y Missoula, Montana.

La primera biorrefinería integrada de Canadá, desarrollada con tecnología de digestión anaeróbica por Himark BioGas, está ubicada en Alberta. La biorrefinería utiliza materia orgánica separada en origen de la región metropolitana de Edmonton , estiércol de corrales de engorde al aire libre y residuos del procesamiento de alimentos.

La tecnología de Chemrec para la gasificación de licor negro y la producción de biocombustibles de segunda generación , como biometanol o Bio DME, está integrada con una fábrica de pulpa anfitriona y utiliza un importante subproducto del proceso de sulfato o sulfito como materia prima. [ 41 ]

Novamont ha convertido antiguas fábricas petroquímicas en biorrefinerías, produciendo proteínas, plásticos, piensos, lubricantes, herbicidas y elastómeros a partir del cardo . [ 42 ] [ 43 ]

C16 Biosciences produce aceite de palma sintético a partir de residuos que contienen carbono (es decir, residuos alimentarios , glicerol ) mediante levadura . [ 44 ] [ 45 ]

MacroCascade tiene como objetivo refinar las algas marinas para convertirlas en alimentos y forraje , y luego en productos para las industrias de la salud, cosmética y química fina. Los subproductos se utilizarán para la producción de fertilizantes y biogás. Otros proyectos de biorrefinería de algas marinas incluyen MacroAlgaeBiorefinery (MAB4), [ 46 ] SeaRefinery y SEAFARM. [ 3 ]

FUMI Ingredients produce agentes espumantes, geles termoendurecibles y emulsionantes [ 47 ] a partir de microalgas con la ayuda de microorganismos como la levadura de cerveza y la levadura de panadería . [ 48 ] [ 49 ] [ 50 ]

La plataforma BIOCON investiga el procesamiento de la madera para obtener diversos productos. [ 51 ] [ 52 ] Más precisamente, sus investigadores estudian la transformación de la lignina y la celulosa en diversos productos. [ 53 ] [ 54 ] La lignina, por ejemplo, puede transformarse en componentes fenólicos que se pueden utilizar para fabricar pegamento, plásticos y productos agrícolas (por ejemplo, protección de cultivos). La celulosa puede transformarse en ropa y envases. [ 55 ]

En Sudáfrica, Numbitrax LLC compró un sistema de biorrefinería Blume para producir bioetanol, así como otros productos derivados de alto rendimiento a partir de recursos locales y fácilmente disponibles, como el cactus de nopal . [ 56 ] [ 57 ] [ 58 ]

Circular Organics (parte de Kempen Insect Valley [ 59 ] ) cría larvas de mosca soldado negra en residuos de la industria agrícola y alimentaria (es decir, excedentes de frutas y verduras, residuos de la producción de zumos y mermeladas). Estas larvas se utilizan para producir proteínas , grasa y quitina . La grasa se puede utilizar en la industria farmacéutica ( cosméticos , [ 60 ] tensioactivos para gel de ducha), sustituyendo otros aceites vegetales como el aceite de palma, o se puede utilizar como forraje. [ 61 ]

Biteback Insect produce aceite de cocina a base de insectos, mantequilla de insectos, alcoholes grasos, proteína de excremento de insectos y quitina del gusano gigante ( Zophobas morio ). [ 62 ] [ 63 ]

Véase también

Referencias

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  • Película de biorrefinería
  • Instalaciones de biorrefinería activas
  • Productos químicos de alto valor añadido procedentes de la biomasa: lista de productos químicos que se pueden extraer de la biomasa.