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Biotecnología industrial: el concepto de biorrefinería. La biomasa: tipos y aprovechamientos en Biorrefinería Lignocelulósica Juan Carlos Villar Centro de Investigación Forestal del INIA
Real Academia de Ingenería, 24 de septiembre de 2013
Ácido Láctico Adhesivos Aminoácidos Biofilms Cargas Celulosa Detergentes Disolventes Dispersantes Etanol Fenoles Fluidos dieléctricos Furfural Lubricantes Papel y Cartón Pigmentos Pinturas
Biorrefinerías y Bio-Productos
Biorrefinería es una industria integrada que:
Usa biomasa como materia prima
La transforma integrando una serie de tecnologías/procesos fisico-mecánicos, temo-químicos, químicos o biológicos
Produce un diversos productos como energía, biocombustibles, productos químicos, materiales, alimentos o piensos.
Hace un uso sostenible de los recursos (materias primas, energía, agua, …)
Polímeros Recubrimientos Tintas Vainillina
Agricultura: soja, caña, paja, tallos, podas… Forestal: chopo, ramas, residuos de podas y clareos… Industria y residuos urbanos: papel, lodos de depuradora, RSU,… Acuicultura: algas…
Origen de las Materias Primas en Biorrefinerías
Principales tipos de Biorrefinerías*
1. Biorrefinería convencional. 2. Biorrefinería de cereales. 3. Biorrefinería lignocelulósica. 4. Biorrefinería termoquímica. 5. Biorrefinería marina. 6. Biorrefinería forestal. 7. Biorrefinería verde. 8. Biorrefinería de dos plataformas. 9. Biorrefinería catalítica en fase líquida.
* Tomado de: F Cherubini et al. (2009) “Toward a common classification approach for biorefinery systems” Biofuels, Bioprod. Bioref. DOI: 10.1002/bbb.172.
1. Biorrefinería convencional. 2. Biorrefinería de cereales. 3. Biorrefinería lignocelulósica. 4. Biorrefinería termoquímica. 5. Biorrefinería marina. 6. Biorrefinería forestal. 7. Biorrefinería verde. 8. Biorrefinería de dos plataformas. 9. Biorrefinería catalítica en fase líquida.
Principales tipos de Biorrefinerías
Caña de azúcar Extracción Azúcares Fermentación Bio-Etanol
Cultivo Oleaginoso Extracción Aceites Transesterificacion Bio-Diesel
Cultivos Amiláceos Sacarificación del Almidón Fermentación Bio-Etanol
Biorrefinerías de 1ª Generación
Limitada diversidad de productos Competencia con alimentos
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1. Biorrefinería convencional. 2. Biorrefinería de cereales. 3. Biorrefinería lignocelulósica. 4. Biorrefinería termoquímica. 5. Biorrefinería marina. 6. Biorrefinería forestal. 7. Biorrefinería verde. 8. Biorrefinería de dos plataformas. 9. Biorrefinería catalítica en fase líquida.
Principales tipos de Biorrefinerías
Lignocelulosa: material estructural de las plantas
Compuesto de Celulosa, Hemicelulosas y lignina
Abundante y ubicua
Resistente a la degradación
Celulosa (40-50%) Polímero lineal Glu
Lignina (15-32%) Polímero Fenil-propano
Hemicelulosas (15-30%) Polímero ramificados de Xil, Ara, Glu, Man, Gal
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Métodos de Fraccionamiento
Celulosa (40-50%) Polímero lineal Glu
Lignina (15-32%) Polímero Fenil-propano
Hemicelulosas (15-30%) Polímero ramificados de Xil, Ara, Glu, Man, Gal
Hot Water hydrolysis Pressurized hot water at 120-220ºC. Lower temperatures cause poor hydrolysis (hemicelluloses) . Cellulose hydrolysis occurs above 220º.
Alkaline hydrolysis Use sodium, potassium or calcium hydroxides. Temperature < 120ºC. Cause delignification. Moderately efficient to remove hemicelluloses
Steam Explosion Saturated Steam at 160-250ºC. Rapid decompression after a few minutes. High hemicelluloses hydrolysis while cellulose remains unaltered.
Acid hydrolysis Use diluted (0.5-4%) mineral acids. Temperature: 120-200ºC. Adequate for sugars production. Hemicellulose hydrolysis increases porosity and favors saccharification.
Proceso al sulfato (o kraft) de obtención de pasta de celulosa
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Debarking and chipping
Wood
Causticizing Green Liquor Na2CO3
Na2S CaO CO2
Lime Furnace
CaCO3
Pulp Washers
Recovery Boiler
Black Liquor
Crude Pulp Cooking
Digester Chips
White Liquor NaOH Na2S
Bleaching or Brown Grades
Na2SO4
Tall Oil
Bark Boiler
CO2
CO2
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Total Alkaly: c.a. 150 Kg NaOH/t.
LIGNIN
ACETYL GROUPS
URONIC ACIDS
CARBOHYDRATES
Low yield: c.a. 50%
Kraft Pulping Alkaly Consumption Distribution (%)
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Kraft PulpingStages of the delignification
High chemical consumption (40%) at 100-110ºC, and only 10% delignification
Delignification vs. Time
Low Selectivity at the end of cooking
Initial delignification
Bulk delignification
Residualdelignification
INIA – CIFOR. Laboratorios de Celulosa y Papel
Una experiencia sobre integración Kraft-Biorrefinería
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Ventajas
• +Productividad (- 50% tiempo cocción)
• - Lignina residual (Kappa -70%)
• +Estabilidad en el color (-88% Ac.
Hexenurónicos)
• ≈ Integridad de la Celulosa
• +Blancura
Desventajas
• - Rendimiento Pasta (-10%)
• + Consumo Reactivos
• - Propiedades Mecánicas
Balance Kraft SE + Kaft
Pulp produced by batch (Kg) 50 40
Solids in Black Liquor (Kg) 50 40
Sugars production: xil + glu (Kg)
0 21
Pulp production(1) (%) 100 128
Calorific value(2) of black liquors (%)
100 68
Energy(3) in cooking + SE (%) 100 64
(1) Assuming a 60% more of batches by a given period of time
(2) Assuming: initial lig/hemic ratio: 1; calorific value hemic= ½ calorific value Lig; hemic. Removal 50%
(3) Calculated as directly proportional to reaction time
Scenario. Medium SE severity; So= 3.56 (13 min.) Cooking time: 60min (25 min. for SE) at 160ºC
BALANCES
Fraccionamiento de maderas coníferas con mezclas disolvente - agua
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OH
OCH 3 H 3 CO
CH 2 OH
OH
OCH 3
CH 2 OH
Guayacilo Siringilo
Coníferas Frondosas
--- Frondosas
Frondosas Coníferas
Celulosa 39– 45 40 -42
Hemicelulosas
18 – 33 18– 28
Xilanos 14 – 27 8 – 9
Gluco-mananos 1 – 3 14– 16
Otras HC 2,0 – 4,2 3,4 - 3,6
Lignina 20 – 30 25 – 32
Extractos 1– 3 2 – 8
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Deslignificación Con disolventes
Lavado y Filtración
Destilación del disolvente
Filtración y lavado
Lignocelulosa
Disolvente
Agua
Hemicelulosas (aq.) Lignina (ppdo.)
Celulosa (sol.) Hemicelulosas (dis.) Lignina (dis.)
Lignina (sol.)
Celulosa (sol.) Hemicelulosas (aq.)
Hemicelulosas (dis.) Lignina (dis.)
Ventajas
• Fraccionamiento sencillo
• Lignina de calidad (sin S)
• Sin inhibiciones para la
sacarificación de celulosa
• Aplicable a toda la LC
• Admite instalaciones
pequeñas
Desventajas
• Alta presión
• Alto coste en evaporación
• Coste de la separación de
subproductos (depende del
disolvente y condiciones)
Sacarificación + Fermentación Sacarificación + Fermentación
Fraccionamiento con mezclas disolvente - agua
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GRACIAS POR SU ATENCIÓN