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12.2: Fermentación de gas de síntesis

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    12.2 Fermentación de gas de síntesis

    Existe un proceso inusual para la producción de líquidos a partir de biomasa: gasificación seguida de fermentación de gases en líquidos. Durante la gasificación, se forman los gases de CO, H 2 y CO 2 (como hemos aprendido en lecciones pasadas), pero en lugar de usar algo como FT o MTG, se trata de la formación de combustibles líquidos a través de un proceso de fermentación usando un catalizador microbiano. Los productos son típicamente etanol, acetona y butanol. La gasificación se discutió a fondo en la Lección 4, pero la voy a cubrir brevemente aquí para recordarles los diversos aspectos del procesamiento. La gasificación se realiza a temperaturas de 750-900°C bajo oxidación parcial. Ocurre en los siguientes pasos: secado; pirólisis en ausencia de O 2; reacciones gas-sólido para producir H 2, CO y CH 4 a partir de carbón; y reacciones en fase gaseosa que manejan las cantidades de H 2, CO y CH 4. Se le conoce con mayor frecuencia como gas de síntesis, pero si contiene N 2, entonces se le llama gas productor. El gas de síntesis se puede generar a partir de cualquier alimentación de hidrocarburos. El principal costo asociado a las tecnologías de gas a líquido tiene que ver con la producción de gas de síntesis, que es más de la mitad de los costos de capital. Los costos pueden mejorarse usando una mayor eficiencia térmica a través de una mejor utilización del calor y la integración de procesos y disminuyendo los costos de capital.

    Hay ventajas de usar la fermentación como parte de la generación de líquidos en lugar de usar algo como Fischer-Tropsch:

    1. Al igual que con cualquier gasificación, es independiente de la materia prima, y por lo tanto, independiente de la composición química de la biomasa.
    2. Los microorganismos son muy específicos para la producción de etanol, mientras que con los catalizadores químicos, hay una amplia gama de productos de reacción.
    3. No se requiere pretratamiento como parte de la plataforma bioquímica.
    4. Se logra la conversión completa de biomasa, incluyendo la conversión de lignina. Esto puede reducir el impacto ambiental de la eliminación de residuos.
    5. La fermentación se realiza a temperatura y presión cercanas a la ambiente, así en un lugar donde los costos pueden reducirse significativamente.
    6. El requisito para la relación CO/H 2 es flexible.

    Por supuesto, también hay desventajas. Estos incluyen:

    1. Limitaciones de transferencia de masa gas-líquido.
    2. Baja productividad de etanol, generalmente relacionada con baja densidad celular.
    3. Impurezas en gas de síntesis generadas a partir de biomasa.
    4. Sensibilidad de los microorganismos a las condiciones ambientales (pH, concentración de oxígeno y potencial redox).

    Los microorganismos que se utilizan para la producción de etanol a partir de gas de síntesis son acetógenos que pueden producir etanol, ácido acético y otros productos a partir de CO y H 2 en presencia de CO 2. Los organismos son: 1) Clostridium cepa P11, 2) Clostridium ljungdahlii, 3) Clostridium woodii, 4) Clostridium thermoaceticum y 5) Clostridium carboxidivorans P7. (Wilkens y Atiyeh, 2011) Las bacterias son algunas de las mismas que ocurren durante la digestión anaeróbica: acetógenos y acidógenos. No voy a entrar en grandes detalles sobre la bioquímica, ya que está un poco más allá del alcance de esta clase. Los acetógenos utilizan la vía reductora acetil-CoA (o Wood-Ljungdahl) para cultivar carbonos e hidrógenos en sustratos de carbono individuales como CO y CO 2. Las bacterias Clostridium utilizan H 2 o compuestos orgánicos como fuente de electrones para la reducción de CO 2 a acetil-CoA, los cuales se convierten posteriormente en ácidos y alcoholes. El proceso se desarrolla en dos fases: acidógena y solventogénica. En la fase acidogénica se producen principalmente ácidos (es decir, ácido acético y ácido butírico). En la fase solventogénica se producen principalmente disolventes (es decir, alcoholes como etanol y butanol). Las reacciones 14 y 15 muestran la química de reacción para la formación de ácido acético, y las reacciones 16 y 17 muestran la química de reacción para la formación de etanol:

    Formación de ácido acético:

    (14) 4CO + 2H 2 O → CH 3 COOH + 2CO 2

    (15) 2CO 2 + 4H 2 → CH 3 COOH + 2H 2 O

    Formación de etanol:

    (16) 6CO + 3H 2 O → C 2 H 5 OH + 4CO 2

    (17) 2CO 2 + 6H 2 → C 2 H 5 OH + 3H 2 O

    En suma, la alternativa de gasificación-fermentación es un método para la producción de biocombustibles utilizando gas de síntesis generado a partir de la gasificación de materias primas de biomasa. Debido a que es de base biológica, tiene el potencial de reducir costos en comparación con otras tecnologías de gas de síntesis a líquido, pero existen varios desafíos relacionados con esta tecnología. Los desafíos incluyen baja productividad de alcohol, baja eficiencia de conversión de gas de síntesis y limitaciones en la transferencia de masa gas-líquido. Estos retos deben resolverse para que esta tecnología sea económicamente viable.

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