El concepto de biorefinerías aplicado a la bioeconomía.

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1 El concepto de biorefinerías aplicado a la bioeconomía. Ing. Quím. Mª. Noel Cabrera Ing. Quím. Leonardo Clavijo Ingeniería de Procesos Forestales Instituto de Ingeniería Química - 1 -

2 Que es la madera? Material compuesto por: Celulosa, Hemicelulosas y Lignina fundamentalmente

3 Composición de la madera de Eucalipto Eucalipto Switchgrass Pasto Elefante Celulosa (%) Hemicelulosas (%) Lignina (%) Cenizas (%)

4 Proceso Kraft de producción de celulosa Consiste en disolver químicamente la lignina, para liberar las fibras de celulosa. Esta disolución se realiza con una mezcla de Soda (NaOH) y sulfuro de sodio (Na 2 S), conocida como LICOR BLANCO, a presión y temperaturas elevadas

5 Rendimiento del proceso Kraft Rendimiento = Cuanta pulpa es producida a partir de la madera (en %) Licor negro: 480 Kg Madera seca: 1000 Kg Pulpa marrón: 520 Kg Rendimiento = 52 % - 5 -

6 Rendimiento del proceso Kraft La mezcla de los productos de reacción con la lignina y hemicelulosas disueltas, se denomina LICOR NEGRO por su color característico. Este licor negro es rico en materia orgánica, proveniente de la lignina y hemicelulosas degradadas, por lo que se concentra y se quema en la CALDERA DE RECUPERACIÓN para obtener energía

7 Esquema de una planta Kraft - 7 -

8 Partes fundamentales del proceso Kraft COCCIÓN: La madera en forma de chips, se trata con el LICOR BLANCO, obteniéndose por un lado pulpa de celulosa marrón, y por otro lado LICOR NEGRO. RECUPERACIÓN Y CAUSTIFICACIÓN: El licor negro se concentra y se quema en la caldera de recuperación. Se produce VAPOR a través del cual se obtiene ENERGÍA que se vende a UTE. De la quema del licor negro se obtiene una SOLIDO FUNDENTE, que luego se mezcla con agua y luego de varios procesos se convierte nuevamente en LICOR BLANCO. Es un ciclo cerrado, donde se obtiene ENERGÍA y se recuperan los reactivos químicos del proceso. BLANQUEO: La celulosa marrón proveniente de la cocción, se convierte en celulosa blanca, que se utilizará para la fabricación del papel. SECADO: La celulosa se seca y se acondiciona en forma de planchas, para su exportación

9 El sector forestal Uruguayo Requerimientos y usos del suelo: La madera se puede producir en suelos marginales, que no compiten con los suelos de uso agrícola. Los suelos de prioridad forestal son: ha., de los cuales los bosques plantados representan el 27% ( ha). Litoral Oeste: 40% Forestado (Para Celulosa) Zona Norte: 40 % Forestado (Madera Sólida) Sur Este: 25% Forestado (Celulosa) Centro-Este: 10% Forestado (Celulosa y Madera Sólida) Del total de los bosques plantados, el 50% pertenece a las empresas de producción de celulosa

10 Mercado de la celulosa

11 Mercado de los biocombustibles

12 Ventajas y desventajas del proceso Kraft Ventajas: Tecnología madura Tiene resuelta separación de celulosa, hemicelulosa y lignina Previsto reciclaje de químicos Bajo nivel de residuos Flexibilidad para definir nivel de lignificación Disponibilidad de equipos para quema de lignina Facilidad de integración Desventajas: Inversión requerida

13 Qué es una biorefinería? Una Biorefinería ha sido definida por el National Renewable Energy Laboratory (NREL, 2011) de los Estados Unidos como una instalación que integra los procesos de conversión de biomasa y equipos para producir combustibles, calor, electricidad y productos químicos de valor añadido a partir de biomasa. (NREL, 2011). El concepto se define por analogía con las refinerías de petróleo en el que son obtenidos múltiples combustibles y productos. (Cherubbini et al., 2010). Biomasa: Materia orgánica de origen vegetal o animal, incluyendo residuos orgánicos,susceptibles de su transformación en energía y/o químicos. Puede ser agrícola, herbácea, forestal, agroindustrial o cultivo energético

14 Qué se obtiene a partir de un barril de petróleo? En total se obtienen más de 44 galones de productos debido a las ganancias del proceso (API)

15 Refinerías de Petróleo Tienen más de 100 años de desarrollo Al principio sólo destilación Luego craqueo térmico Seguido de crackeo catalítico Hidrodesulfuración Todo tipo de procesos catalítcos particulares Las refinerías actuales utilizan una tecnología eficiente e integrada

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18 Composición elemental de la materia prima Petróleo (crudo) Aceites/Grasa Materiales Lignocelulósicos C (%) H (%) O (%)

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20 Biomasa Ventajas: La celulosa es el polímero más abundante en la Tierra con una producción terrestre anual de 90 billones de toneladas/año En bases de energía, la síntesis de carbono por las plantas es equivalente a aprox. 10 veces el consumo. La biomasa es una fuente sustentable de producción de combustibles líquidos y productos químicos. La biomasa es barata USD 12-24/BOE (equivalente a barril de petróleo)

21 ra_2da_generacion.pdf

22 Desventajas de la biomasa no lignocelulósica Logísticas: o Manejo, transporte o Uso final: combustión, gasificación, procesamiento químico Fisicoquímicas o Baja densidad energética o Hidrofílica o Vulnerable a la biodegradación o Dificultad a la molienda o Dificultad para fluir Compite con los suelos agrícolas donde se planta para alimentos

23 Biomasa lignocelulósica Se define a la biomasa compuesta por lignina, celulosa y hemicelulosas. Principalmente integrada por: o Madera o Residuos forestales o Residuos municipales o Residuos agrícolas o Cultivos energéticos

24 Composición de la madera de Eucalipto Eucalipto Switchgrass Pasto Elefante Celulosa (%) Hemicelulosas (%) Lignina (%) Cenizas (%)

25 Biocombustibles de segunda generación Etanol de Segunda Generación: Se produce a partir de materiales lignocelulósicos, que producen primero glucosa y luego etanol

26 Biomasa Forestal Ventajas: La biomasa forestal es neutra respecto a las emisiones de efecto invernadero. No compite con las plantaciones para alimentos (utiliza suelos marginales) Alta densidad, más fácil el transporte y manejo. Desventajas: Economía de escala es pequeña respecto a a una refinería de petróleo porque los costos de transporte son altos y No está determinada la mejor tecnología de pretratamiento y conversión

27 Biorefinerías Forestales

28 Ejemplo de biorefineria forestal (proceso al sulfito) Referencia: Herbert Sixta, May

29 Ejemplo de biorefineria forestal (proceso al sulfito) Referencia: Herbert Sixta, May

30 Ejemplo de biorefinería forestal (proceso Kraft): Preextracción de hemicelulosas Se extraen las hemicelulosas porque el HHV de éstas es 18.6 MJ/kg mientras que la lignina es 25 MJ/kg

31 Uruguay: Cálculo de área requerida para producir 30% de las necesidades de gasolina en Uruguay: ha plantadas de eucaliptus 5% del área forestada actual La extracción previa de hemicelulosas en una planta de ton/año generaría m3/año de etanol

32 Ejemplo de biorefinería forestal (proceso Kraft): celulosa para etanol

33 Desafíos en la obtención de biocombustibles de origen forestal. Indefinición de mejor alternativa tecnológica Fraccionamiento de la biomasa Costo tratamiento enzimático Uso de co-productos Manejo de inhibidores Concentración de etanol producido Tiempos de retención procesos bioquímicos Porcentaje de conversión Reciclajes de químicos

34 Separación de lignina: Theliander et al., AIChE conf

35 Separación de lignina: Proceso Lignoboost P. Tomani,

36 Instituto de Ingeniería Química Grupo de Ingeniería Forestal (2010) Desarrolla Investigación y Docencia en celulosa, papel, madera sólida y biorefinerías. Departamento de Proyecto Industrial Coordina estudios de factibilidad técnica y económica para la implantación de procesos industriales

37 Grupo de Ingeniería Forestal Extracción de hemicelulosas, previo a la cocción en una planta de celulosa para producción de etanol ANII FSE Tratamiento de hemicelulosas con objetivo de viabilizar coproductos y detoxificación CSIC ANCAP Conversión de celulosa en etanol a partir de madera de eucaliptus CSIC ANCAP Separación de lignina de licor negro de eucaliptus ANII FSE Producción de resinas de fenol formaldehido para uso en la industria de transformación de madera Acuerdo con empresa Uso de lignina como aditivo para asfalto, para otorgar propiedades antioxidantes Acuerdo con empresa

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