Agroindustria de los Biocombustibles

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Energía de la biomasa

Juan Carlos Clavijo Salinas

2013 - I

La biomasa

• Es cualquier materia orgánica derivada de actividades humanas, agrícolas, pecuarias o agroindustriales, como resultado de un proceso primordialmente fotosintético.

Energía de Enlace

Químico

Sol

Agua CO2

Fotosíntesis

Compuestos inorgánicos

Compuestos orgánicos

La biomasa

• Los carbohidratos, como el almidón y la celulosa, constituyen los productos químicos primarios en la bioconversión de la energía solar.

• Cada átomo de carbono, al enlazarse, absorbe 112 kcal provenientes de la luz solar.

112 kcal

www.savuarfuar.com

Biomasa primaria

Pastos

Árboles y arbustos

Cultivos como caña de azúcar

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Biomasa de origen agrícola

Cáscaras

Residuos agrícolas de cosecha: tallos, hojas, raíces, brotes

Biomasa de origen pecuario

Pollinaza

Bovinaza

Porcinaza

Plumas

Biomasa de origen agroindustrial

Vinaza

Bagazo

Cascarilla de café

Restos del sacrificio de ganado

Biomasa de origen humano

www.maydisa.com

Aguas residuales domésticas

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Formas de Biomasa

• Biomasas primarias– Arboles y arbustos– Pastos– Plantas acuáticas– Cultivos

• Biomasas residuales– Residuos urbanos

orgánicos– Residuos agrícolas (en

cosecha y en procesamiento)

– Residuos pecuarios (en pie y en procesamiento)¿Biodiversidad?

¿Seguridad Alimentaria?

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Los Residuos Agrícolas de Cosecha (RAC)

• Resultan de toda explotación agrícola, a toda escala• Suelen generar problemas si no son manejados

adecuadamente• En su mayoría son materiales lignoceulósicos:

celulosa, hemicelulosa y lignina– Hojas– Tallos (Bagazo)– Cascarillas– Pulpas– Semillas

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http://todoproductividad.blogspot.com/ http://www.sudesteagropecuario.com.ar/

http://www.dw.de/

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Caña de Azúcar en Colombia

• 8-15% de sacarosa • > 200,000 has• > 40 millones t/año

• 113.3 Ton caña/ha• 12.75 Ton azúcar/ha • 10,140 litros de

etanol/ha

• Aprox. 53 ton RAC/ha

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Cosecha

Composición de los RAC:– Cogollos (47%)– Hojas (40%)– Chulquines (4%)– Cepas (4%)– Trozos de caña seca (3%)– Tierra (2%)

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Cosecha

Caña quemada / verde Corte mecanizado / manual

Hasta el triple de RAC

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• Problemáticas de los RAC– Los RAC que quedan en el campo limitan la

ejecución de las labores para el levantamiento del próximo cultivo (Amú, 2011).

– Si, al quedar en el campo, predominan condiciones húmedas, los RAC pueden liberar fitotoxinas que retardan la germinación del próximo cultivo (Cock et al, 1997)

Problemática de los RAC

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• Del total de la caña de azúcar, del 60% al 70% se quema para su posterior cosecha (Rodríguez, 2009).

• Esta práctica está regulada por la Resolución Número 619 de 1997, pero tiende a desaparecer por las implicaciones ambientales, y se han iniciado convenios de Producción Más Limpia (PML) entre los cultivadores de caña y los organismos ambientales

• Esto implica una mayor producción de biomasa en el campo para diversificar su aprovechamiento.

Además..

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Cadena Productiva de la Caña de Azúcar

Generación de potencia

Caña de azúcar

BagazoElectricidad y vapor

Azúcar

Bagazo y cachaza Mieles

Vinazas

Bioetanol

Compost

RAC

Industria del papel

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Material Lignocelulósico

Celulosa (%)

Hemicelulosa (%)

Lignina (%)

Otros**

(%)

Fuente

Bagazo caña 46.6 25.2 20.7 - CASTELO, 2007

RAC caña 45.1 25.6 12.7 16.6 CASTELO, 2007

Bagazo de sorgo dulce*

Cascarilla de arroz 38.3 28.0 14.9 18.8 ZHANG, et al, 2008

Fibra de yuca*

Pulpa de café 19.5 2.5 24.9 15.4

Cáscara de Banano (base seca)

13.2 14.8 14.0 58.0HOYOS y PÉREZ,

2005

Resíduos de Banano*

Madera (Eucalipto) 49.5 13.1 27.7 9.7

BALAT, et al, 2008Madera (Pino) 44.6 21.9 27.6 5.9

Pastos (Switch grass) 32.0 25.2 18.1 24.7

Rodríguez, 2009.

Potencial de uso de algunas biomasas

Restricciones en el uso de la biomasa

• Humedad• Densidad energética Vs. Costos de transporte• Combustión incompleta: generación de

compuestos parcialmente oxidados• Impactos sobre la biodiversidad• Conflictos por uso de la tierra y el agua• Políticas

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Tecnologías de Transformación

Biomasa

Procesos Bioquímicos

Procesos Termoquímicos

Procesos Fisicoquímicos

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Tecnologías de Transformación

Procesos Bioquímicos

Procesos Termoquímicos

Procesos Fisicoquímicos

Fermentación Alcohólica

Digestión Anaeróbica

Compostaje

Bioetanol

Compost

Biogás

Combustión Energía

Suelos

Biomasa

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Tecnologías de Transformación

Procesos Bioquímicos

Procesos Termoquímicos

Procesos Fisicoquímicos

CombustiónGasificación

Pirólisis Sólido

Líquido

Gas

Proceso secundario

Combustibles

Energía

Biomasa

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Tecnologías de Transformación

RAC

Procesos Bioquímicos

Procesos Termoquímicos

Procesos Fisicoquímicos

Prensado / Extracción

Transesterificación

Combustión

Aceites

Biodiesel

Energía

Procesos Bioquímicos

Fermentación Alcohólica

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Fermentación Alcohólica

• Proceso biológico mediante el cual algunos microorganismos pueden obtener energía en forma de ATP, en medios anaeróbicos.

• Hongos, levaduras y algunas bacterias• Se produce etanol, dióxido de carbono y

moléculas de ATP, entre otros compuestos.

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Proceso de obtención de etanol

Recepción Pretratamiento Hidrólisis

FermentaciónDestilaciónDeshidratación

Vinazas, flemazas y condensadosEtanol anhidro

Oligosacáridos

Azúcares reductores (5 y 6 C)

Mezcla fermentados

Etanol hidratado

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Pretratamiento de los RACPretratamiento Condiciones Rendimientos Usos

Pretratamientos físicos-químicos

Explosión con vapor

Vapor saturado 160- y P: 690-4850 KPa. tr: muy

cortos (segundo o minutos) (1)

80-100% de hemicelulosa a xilanos (1).

45-65% de xilanos convertidos a xilosas.

Recomendado para maderas duras, residuos

agrícolas.Bajo desempeño en maderas blandas.

Termohidrólisis (LHW)Agua caliente a alta

presión P: 5000 KPa, T: 170- (1).

80-100% de hemicelulosa a xilanos.

88-98% de xilanos convertidos a xilosas (1).

Bagazo, pulpa de aceituna, pastos.

Explosión con Amoniaco (AFEX)

Amoniaco a T: y P: 1120-1360 KPa. 1-./ kg materia

seca.

0-60% de hemicelulosa a xilanos (1).

Bagazo, paja, madera blanda.

Bajo desempeño en materiales con alto

contenido de lignina.

Pretratamientos químicos

Pretratamiento con ácido diluido

0.75-5% H2SO4, P: 1 MPa, T: 160-

80-100% de hemicelulosa a xilanos.

75-90% de xilanos convertidos a xilosas (1).

Bagazo, paja y pastos

Pretratamiento con NaOH NaOH diluido, T: , tr: 24 h.50% de hemicelulosa a

xilanos60-75% de xilanos a xilosas

Maderas duras, bagazo

Proceso Organolsolv combinado con ácido diluido

Etanol y H2SO4 diluido (1%). T: 185-, tr: 30-60 min,

pH: 2.0-3.4

Formación de inhibidores controlada

Bagazo, maderas blandas

Rodríguez, 2009

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• Objetivos:– Debilitar la estructura celular– Alterar la forma de los polímeros celulósicos para

facilitar la acción enzimática– Conversión de gran parte de la hemicelulosa a

oligosacáridos– Evitar la degradación y pérdida de azúcares – Prevenir la formación de compuestos inhibitorios

Pretratamiento de los RAC

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Hidrólisis de los RAC

HEXOSA

rCatalizado

CELULOSA

n OHnCOnHOHC 612625106

PENTOSAS

rCatalizado

SAHEMICELULO

n

HEXOSA

rCatalizado

SAHEMICELULO

n

OHnCOnHOHC

OHnCOnHOHC

51052485

612625106

Acida ó Enzimática

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Hidrólisis de los RAC

• Con esto se busca obtener azúcares convertibles en bioetanol.

• Consiste en la combinación de dos procesos:– Despolimerización: Convertir parte de los

polisacáridos a oligosacáridos (xilanos y celobiosas)

– Sacarificación: Convertir oligosacáridos a azúcares fermentables (xilosas y glucosas)

• La hidrólisis puede ser ácida o enzimática

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Fermentación de azúcares derivados de materiales lignocelulósicos

• Sacharomice cerevisiae No convierte pentosas • Escherichia coli T= 35°C; pH=6.5• Klebsiella oxitoca T=33°C; pH=5.5• Mucor indicus 0.46g OH/g glucosa• Zimomona mobilis Resiste [OH] >12%

2526126 22 COOHHCOHCETANOL

ismosmicroorgan

HEXOSA

2525105 253 COOHHCOHCETANOL

ismosmicroorgan

PENTOSA

glucosa, xilosa, manosa, galactosa y arabinosa

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Fermentación de RAC

• La fermentación de RAC difiere del proceso de fermentación convencional por la presencia de diferentes tipos de azúcares (de 5 y 6 carbonos).

• El líquido proveniente de la hidrólisis es una mezcla de glucosa, xilosa, manosa, galactosa, arabinosa y otros oligosacáridos.

• Se recomienda un tratamiento al líquido hidrolizado para disminuir la cantidad de compuestos inhibidores y para inactivar los microorganismos o enzimas utilizados en la hidrólisis.

Procesos Bioquímicos

Digestión Anaeróbica

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Digestión Anaeróbica

• Proceso biológico en el que la materia orgánica, en ausencia de oxígeno, y mediante la acción de un grupo de bacterias específicas, se descompone en:– Productos gaseosos o “biogás” (CH4, CO2, H2, H2S) – Digestato, que es una mezcla de productos

minerales con potencial fertilizante (N, P, K, Ca, etc.) y otros compuestos de difícil degradación.

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www.biodisol.com

Digestión Anaeróbica

Material orgánico

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Rutas Metabólicas de la Digestión Anaeróbica

• Bacterias:– Acidogénicas– Acetogénicas– Desnitrificantes– Sulfatoreductoras– Metanogénicas

• Diferentes velocidades• pH bajo inhibe

metanogénesis• Tamaño de partícula

www.biodisol.com

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Balance de Energía en la Digestión Anaeróbica

• Un reactor convencional calentado a 35°C, operado por 20 a 30 días y alimentado con 1.7 kg de materia orgánica por m-3 día-1 puede dar un rendimiento de 0.24 m3 de metano por kg de materia orgánica alimentada (Chynoweth, 2001).

• La composición del biogás se puede presentar en la siguiente forma (porcentajes en volumen):– (CH4) 50%-85%

– (CO2)49%-14%

– (H2S) 0.3%

– (H2O) 0.7%

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• Propiedades del Metano (Himmelblau, 1997) : – Calor de formación: -74.84 KJ/gmol– Calor de combustión: -890.4 KJ/gmol

• Numero de moles de Metano en V= 0.24m3 por kg materia orgánica– P=1atm– T=25°C=298.15K– R=8.206*10-5m3.atm.K-1.mol-1– n=PV/RT=(1*0.24)/(8.026*10-5*298.15)=10.03 gmol

• Calor de combustión = -890.4KJ/gmol * 10.03 gmol Metano/kg materia orgánica = -8930.7 KJ/kg m.o.

Balance de Energía en la Digestión Anaeróbica

42

Sistema de dos etapas usado por Parawira et al, 2008

Consideraciones para los RACProblemas de acidificación….. Inhibición de la metanogénesis

Procesos Bioquímicos

Compostaje

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• Proceso microbiológico aeróbico • Materia orgánica rápidamente biodegradable

(restos de cosecha, excrementos de animales y residuos urbanos),

• Se obtiene como producto "compost", el cual es aplicado al suelo como abono

Compostaje de RAC

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Compostaje de RAC

Microorganismos

Fuentes de C y N (Cachaza, Bagazo, RAC)

Humedad (Vinazas)

Oxígeno (aire)

CO2NH3

Vap. H2OCalor

CompostCenizas

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Etapas del compostaje

°C

Semanas

Mesofílica

Termofílica

Enfriamiento

Maduración

A mayor temperatura, mayor velocidad del proceso… pero mayor liberación de NH3 ….

Procesos Termoquímicos

Combustión

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Combustión

• Es la tecnología más difundida para el aprovechamiento energético de diferentes biomasas de origen agrícola y forestal.

• Ha sido utilizada para la obtención de calor, vapor y electricidad.

• Gran variedad de biomasas: astillas de madera, paja, cascarilla, bagazo, pasto, hojas, etc.

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• Reacciones exotérmicas irreversibles de la biomasa (combustible) con el oxígeno (comburente):

C + O2 -----------------> CO2

CO + ½ O2 ------------> CO2

H2 + ½ O2 -------------> H2O + Energía (Calor)

S + O2 -----------------> SO2

H2S + 3/2 O2 ---------> SO2 + H2O

Reacciones de la Combustión

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Sistema Energético en un Ingenio Azucarero

CULTIVO MOLIENDA

CALDERA DE POTENCIA

TURBOGENERADOR

REFINADO Y SECADO

PRODUCCIÓN DE BIOETANOL

COMPOSTAJE

CLARIFICADO CRISTALIZADOLIMPIEZA

Electricidad a la Red

Vapor de alta

Vapor de baja Electricidad al procesoBagazo

Hojas

Compost

Cachaza

Bioetanol

Mieles

Azúcar

Agua

Bagazo

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Caldera de Potencia

Golato et al, 2005

RAC+

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Balance de Energía en la Combustión

• El poder calorífico superior de las hojas está estimado en 16,837.63 kJ/kg (Tecnicaña, 2009)

• El del bagazo se estima en 19,000 kJ/kg• La entalpía del vapor sobrecalentado (8MPa y

800°C) es de 4123.8 kJ/kg• Teóricamente, por cada kg de hojas quemadas

se pueden generar alrededor de 4 kg de vapor sobrecalentado.

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Consideraciones con los RAC

• Los RAC de caña de azúcar presentan altos contenidos de Nitrógeno de aprox. 1.6% (w/w) en base seca, lo que puede conllevar a la formación de “Fuel NOx” entre los 800 y 1100°C.

• Contenido de Azufre, genera problemas de corrosión en la caldera y formación de H2S (lluvia ácida).

• Se recomienda el uso de lechos fluidizados

Procesos Termoquímicos

Pirólisis

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Pirólisis

• Es una destilación destructiva de residuos sólidos por medio de intenso calor en ausencia de oxígeno.

• Se forman compuestos líquidos (bio-aceites) y sólidos carbonizados:– 40% del volumen original– 20% del peso original

Transporte y Almacenamiento

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Sistema utilizado en la Pirólisis Lenta

(Abnisa et al 2001)

Pirólisis lenta: 300°C

Calentamiento a 40 °C s-1

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Pirólisis rápida: 800 a 1000°C

Calentamiento a 500 °C s-1

Sistema utilizado en la Pirólisis Rápida

(Zanzi et al, 2002)

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Balance de Energía de la Pirólisis• La fracción líquida obtenida está compuesta por cientos de

sustancias orgánicas: – ácidos – fenoles – cetonas – aldehídos – éteres – algunos compuestos aromáticos

• En conjunto, tienen un poder calorífico estimado en: – 16.6MJ/kg (Utilizando astillas de sauce en base húmeda – Rogers y

Brammer, 2009)– 32MJ/kg (Utilizando madera de corcho - Boucher et al, 2000)

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Aplicaciones de los Compuestos de la Fracción Líquida

• Uso directo en turbinas (precauciones con metales alcalinos y calcio) para obtención de energía eléctrica

• Formación de emulsiones combustibles con diesel• Emulsificación en el proceso de flotación del cobre• Ventajas para el transporte y almacenamiento• Aún se requiere investigar más en el “upgrading” de

estos bio-aceites para otras aplicaciones

Procesos Termoquímicos

Gasificación

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Gasificación

• Combustión incompleta • La energía contenida inicialmente en un sólido

combustible se transfiere a los productos primarios del proceso (gases, líquidos y sólidos)

• La gasificación ocurre entre un sólido combustible (biomasa, carbón, coque de lignito, etc.) y un agente gasificante (aire, oxígeno puro o vapor de agua) a elevadas temperaturas (superiores a 700 °C)

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Gasificación

Con Aire• Se produce un Gas Pobre

(4-7MJ/m3) que tras ser limpiado puede ser utilizado en motores de combustión interna, o quemado directamente, para la generación de energía.

Con Oxígeno o Vapor de Agua• Se produce un Gas de

Síntesis (10-18MJ/m3) que, mediante el proceso de Fisher-Tropsch, puede ser convertido en combustibles líquidos para su uso en motores de combustión interna y posterior obtención de energía.

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Reacciones en la gasificación

• Zona de oxidación (Q1)

• Zona de reducción (Q2)

kcal/mol 38,790COCOCkcal/mol 28,780HCOOHC

kcal/mol 17,9702HCOO2HC

2

22

222

2

kcal/mol 97,650-COOCkcal/mol 29,330CO1/2OC

2

2

2

dtdQ

dtdQ 21

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Composición promedio del Gas – Caso del Bagazo -

Componente Contenido (% vol.)

Monóxido de carbono 20-25

Hidrógeno 15-20

Metano 1-2

Dióxido de carbono 10-12

Nitrógeno 48-50

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Balance de energía en la Gasificación – Caso del Bagazo -

• Flujo de biomasa: 1300 ton de bagazo/día• Flujo de gases: 38 kg/s• Calor útil: 220 MW• Eficiencia de la turbina de gas: 35%• Generación de electricidad: 77MW

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Gasificación vs. Combustión

• La gasificación ofrece algunas ventajas respecto a la combustión directa:

– El gas presenta mejores propiedades de combustión respecto al sólido.

– Necesita una menor cantidad de aire.– Menor emisión de particulados.

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Tener en cuenta…

• La gasificación exige una mejor calidad del combustible.

• Los sistemas deben estar suficientemente sellados para evitar la fuga de gas que tiene características tóxicas por contener CO.

• Peligros de explosiones.• Elevados costos para superar la escala

experimental en sistemas de gasificación y generación de energía eléctrica.

Procesos Físicoquímicos

Extracción y transesterificación de aceites

Biomasas oleaginosas

• Contienen aceites vegetales en sus semillas o frutos. Por ejemplo:– Girasol– Colza– Soja– Palma

Métodos de extracción de aceites

Prensado• Consiste en la aplicación de fuerzas de compresión

para separar mecánicamente una fase líquida de una sólida.

Expellers

Sistemas de prensas continuas – tornillo sin fin

http://www.directindustry.es

Balance de masa del prensado

PrensaP < 2500 kg/cm2

Biomasa Torta

Mezcla de Aceite, agua y lodos

Extracción por solventesPercolación o lixiviación Inmersión

Métodos de extracción de aceites

http://www.gestionforestal.cl

Transesterificación