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Biorrefinería

La planta de biorrefinería de Alpena en EE.UU.

Una biorrefinería es una refinería que convierte biomasa en energía y otros subproductos beneficiosos (como productos químicos). La Bioenergy Task 42 de la Agencia Internacional de Energía definió la biorrefinería como "el procesamiento sostenible de biomasa en un espectro de productos de origen biológico (alimentos, piensos, productos químicos, materiales) y bioenergía (biocombustibles, energía y/o calor)". [1] Como refinerías, las biorrefinerías pueden proporcionar múltiples productos químicos fraccionando una materia prima inicial (biomasa) en múltiples intermediarios (carbohidratos, proteínas, triglicéridos) que pueden convertirse posteriormente en productos de valor añadido. [2] Cada fase de refinación también se conoce como "fase en cascada". [3] [4] El uso de biomasa como materia prima puede proporcionar un beneficio al reducir los impactos sobre el medio ambiente, como menores emisiones de contaminantes y reducción de las emisiones de productos peligrosos. [5] Además, las biorrefinerías tienen por objeto lograr los siguientes objetivos: [6]

  1. Suministrar los combustibles actuales y los componentes químicos básicos.
  2. Suministrar nuevos bloques de construcción para la producción de materiales novedosos con características disruptivas
  3. Creación de nuevos puestos de trabajo, incluso en 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 según cuatro características principales: [7]

  1. Plataformas: Se refiere a los intermediarios clave entre la materia prima y los productos finales. Los intermediarios más importantes son:
  2. Productos: Las biorrefinerías se pueden agrupar en dos grandes categorías según la conversión de la 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 en forma de biocombustibles, electricidad y calor.
    • Sistemas de biorrefinería impulsados ​​por materiales: el producto principal es un producto de base biológica
  3. Materias primas: materias primas dedicadas (cultivos azucareros, 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 el prensado, la molienda, la separación, la destilación, entre otros.
    • Bioquímico: Procesos a baja temperatura y presión, utilizando microorganismos o enzimas.
    • Procesos químicos: El sustrato sufre cambios por la acción de un químico externo (por ejemplo, hidrólisis, transesterificación, hidrogenación, oxidación, pulpa).
    • Termoquímico: Se aplican condiciones severas a la materia prima (alta presión y alta temperatura, con o sin catalizador).

Las características antes mencionadas 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. Dibuje el esquema de la refinería utilizando las características identificadas en el paso 1.
  3. Etiquete el sistema de refinería de acuerdo con la cantidad de plataformas, productos, materias primas y procesos involucrados.
  4. Elaborar un cuadro con las características identificadas y la fuente de demanda interna de energía.

Algunos ejemplos de clasificaciones son:

Viabilidad económica de los sistemas de biorrefinería

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

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

Las plantas de bioetanol y los molinos de caña de azúcar 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/a (alrededor del 0,4% de la capacidad de producción en Brasil). [9] El TEA de 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] se simularon los tres sistemas de biorrefinería para ser anexados a un molino de azúcar existente en Sudáfrica. La producción de xilitol y ácido glutámico ha demostrado factibilidad económica con una Tasa Interna de Retorno (TIR) ​​de 12.3% y 31.5%, superando la TIR del caso base (10.3%). De igual forma, se ha estudiado la producción de etanol, ácido láctico o metanol y etanol-ácido láctico a partir del 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 biocombustibles, calor, electricidad y productos verdes de origen biológico. [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 vacíos de frutos 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 en estudio 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 para la producción de bio-oil a partir de EFB mediante pirólisis rápida utilizando el lecho fluidizado, [16] el bio-oil crudo puede producirse potencialmente a partir de EFB a un valor de producto de 0.47 $/kg con un período de recuperación y 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 biodiesel y glicerol; en el primer escenario se produce biogás y fertilizante orgánico por fermentación anaeróbica de tortas de frutos y semillas de Jatropha ; el segundo escenario incluye la producción de lípidos a partir de Jatropha y microalgas para producir biodiesel y la producción de alimento animal, biogás y fertilizante orgánico; el tercer escenario involucra la producción de lípidos a partir de microalgas para la producción de biodiesel así como hidrógeno y alimento animal como producto final; solo el primer escenario fue rentable.

En lo que respecta a la industria de pulpa y 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 ~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 agregado. [19] Se ha estudiado la conversión de una fábrica de pulpa kraft sueca existente para la producción de pulpa soluble, electricidad, lignina y hemicelulosa; [20] la autosuficiencia en términos de vapor y la producción de exceso de vapor 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 de utilizar el proceso kraft para producir bioetanol a partir de maderas blandas en una planta kraft reutilizada 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 la reutilización de una planta de pulpa kraft para producir tanto etanol como dimetiléter ; [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 se refina a dimetiléter; el proceso demuestra ser autosuficiente en términos de demanda de servicios públicos calientes (vapor fresco) pero con un déficit de electricidad; el proceso puede ser factible, económicamente hablando, 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 viabilidad; [23] Los resultados mostraron que la inversión total de capital fue de 4,9 M$ 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 el índice de valorización fue de 3,02.

La alta generación de biomasa residual es una fuente atractiva para la conversión a 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 promisoria ya que es posible obtener biogás y otros coproductos incluyendo 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 cultivo mixto; [25] la mayor ganancia se obtiene mediante la fermentación oscura de residuos alimentarios con separación y purificación de ácidos acético y butírico (47 USD/t de residuos alimentarios). 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 la 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 de producción netos relativamente bajos y precios de venta mínimos. Se ha estudiado la valorización de residuos sólidos urbanos a través de sistemas integrados de tratamiento químico biológico mecánico (MBCT) para la producción de ácido levulínico, [27] los ingresos por recuperación de recursos y generación de productos (sin la inclusión de tarifas de entrada) son más que suficientes para compensar las tarifas de recolección de residuos, el capital anual y los costos operativos.

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, otros impactos ambientales pueden estar asociados a la producción de productos de base biológica; como el cambio de uso del suelo, la eutrofización del agua, la contaminación del medio ambiente con pesticidas o una mayor demanda de energía y materiales que conducen a 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 el uso final. El ACV se puede utilizar 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 a la puerta de la biorrefinería. [29] Los residuos agrícolas son la materia prima con el menor impacto ambiental, seguidos de los cultivos lignocelulósicos; y finalmente por los cultivos herbáceos de primera generación, aunque los impactos ambientales son sensibles a factores como las prácticas de manejo de cultivos, los sistemas de cosecha y el rendimiento de los cultivos. [29] La producción de productos químicos a partir de materias primas 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 1G y 2G 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 el cambio climático con la producción de etanol 2G (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 para la toxicidad y la 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 planta canadiense de pulpa de disolución 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 sobre 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 origen biológico 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 ambientalmente más favorable utiliza un catalizador menos contaminante (AlCl3) y un codisolvente (acetona), y proporciona el mayor rendimiento de HMF (27,9 Cmol%), el agotamiento de metales y los impactos de toxicidad (ecotoxicidad marina, toxicidad del agua dulce y toxicidad humana) fueron las categorías con los valores más altos.

Biorrefinería en la industria de pulpa y papel

La industria de pulpa y papel es considerada como el primer sistema de biorrefinería industrializado; en este proceso industrial se producen otros coproductos que incluyen aceite de resina, 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 sólo utiliza madera como materia prima, es capaz de procesar desechos 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] evitando la competencia con la producción de alimentos por tierras fértiles y presentando mayores rendimientos de biomasa. [40]

Ejemplos

La empresa Blue Marble Energy, en pleno funcionamiento, tiene varias biorrefinerías ubicadas en Odessa, WA y Missoula, MT.

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 abiertos y desechos de 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 planta de pulpa anfitriona y utiliza un importante desecho del proceso de sulfato o sulfito como materia prima. [41]

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

C16 Biosciences produce aceite de palma sintético a partir de desechos que contienen carbono (es decir, desechos de alimentos , glicerol ) por medio de levadura . [44] [45]

MacroCascade tiene como objetivo refinar las algas marinas para convertirlas en alimentos y forrajes , y luego en productos para las industrias de la salud, los cosméticos y los productos químicos finos. Los flujos secundarios 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 [ aclaración necesaria ] con la ayuda de microorganismos como la levadura de cerveza y la levadura de panadería . [48] [49] [50]

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

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

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

El insecto mordedor produce aceite de cocina para insectos, mantequilla para insectos, alcoholes grasos, proteína de excrementos de insectos y quitina a partir de Zophobas morio . [62] [63]

Véase también

Referencias

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