14.5: Biorrefinerías y Utilización de Biomasa

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Así como el petróleo crudo es una mezcla compleja de hidrocarburos y otros compuestos orgánicos que deben pasar a través de una refinería de petróleo para separar y modificar químicamente los materiales en ella para producir combustible y materias primas petroquímicas, los productos químicos de fuentes biológicas suelen ser mezclas complejas que requieren refinación y procesamiento químico para proporcionar las materias primas necesarias. La separación y procesamiento de biomateriales de plantas o de bacterias cultivadas en digestores se realiza en una biorrefinería cuya producción consiste en químicos orgánicos y combustibles. En una biorrefinería los diversos productos que se pueden obtener de la biomasa son separados y sometidos a tratamiento químico, generalmente con el objetivo de reducir el contenido de oxígeno químicamente ligado de los líquidos orgánicos. Aunque la gran cantidad de compuestos generados a partir de la biomasa plantea un desafío para las separaciones, también brinda la oportunidad de producir cantidades más pequeñas de productos químicos de alto valor.

La Figura 14.3 ilustra una biorrefinería que muestra cuatro formas en las que se pueden obtener materias primas a partir de biomasa. El más simple y menos consumido de energía de estos es la extracción en la que se utiliza un disolvente orgánico o, en operaciones más sofisticadas, dióxido de carbono supercrítico para disolver materiales de biomasa. Este enfoque es ampliamente utilizado para extraer aceites de algunos tipos de semillas oleaginosas. Los hidrocarburos terpénicos pueden extraerse de madera de pino y otras plantas productoras de terpenos. Algunos de los mayores potenciales son extraer hidrocarburos y otros aceites de las algas que producen estos materiales. Las algas unicelulares son fotosintetizadores particularmente eficientes y el potencial es alto para diseñar genéticamente cepas que puedan producir clases específicas de orgánicos extraíbles.

Figura 14.3. Esquema general de una biorrefinería en la que se obtienen materias primas orgánicas y combustibles por la acción de microorganismos o enzimas que despolimerizan grandes moléculas de biomasa, extracción, hidrogenación, pirólisis o gasificación de biomasa.

Aparte de la extracción, la vía hacia productos químicos útiles a partir de la biomasa implica descomponer los polímeros complejos de biomasa. Una forma en la que esto se hace es con la acción microbiana o la acción de enzimas aisladas, por ejemplo, para producir azúcar de glucosa a partir de almidón o celulosa. Este paso puede requerir la adición de nutrientes incluyendo nitrógeno, fósforo y potasio para permitir que los microorganismos crezcan. La glucosa y otros monómeros aislados por acción enzimática pueden someterse a procesamiento adicional, el ejemplo más común de los cuales es la fermentación de glucosa a alcohol.

La hidrogenación de biomasa implica la reacción con H ₂ elemental a alta presión y a temperaturas elevadas. Este enfoque se puede utilizar con hidrógeno generado de manera relativamente económica por electrólisis del agua empleando fuentes renovables de electricidad, especialmente de la energía eólica. La hidrogenación directa de biomasa produce una amplia variedad de compuestos orgánicos incluyendo compuestos oxigenados, algunos de los cuales tienen usos directos y otros de los cuales pueden ser modificados químicamente para dar el producto deseado.

La pirólisis implica calentar la biomasa externamente o con una corriente de gas caliente para evolucionar productos líquidos y gaseosos. Se puede emplear una fuente de calor externa que incluya incluso energía solar enfocada y concentrada en un reactor. Al igual que con la hidrogenación, la pirólisis genera una variedad de productos incluyendo compuestos oxigenados. También produce grandes cantidades de carbono residual, el cual puede ser utilizado directamente como combustible o gasificado con vapor y oxígeno para producir gas de síntesis.

La gasificación, que se discute con más detalle en el Capítulo 15, Sección 15.6, implica la reacción del carbón caliente con vapor,

\[\ce{H2O + C \rightarrow H + CO2}\]

produciendo una mezcla de gases de síntesis de H ₂ y CO. El carbono generalmente se calienta por combustión parcial con O ₂ y el CO en el gas de síntesis se hace reaccionar con vapor para aumentar la relación de H ₂ a CO. La biomasa puede gasificarse directamente por reacción con una cantidad mínima de O ₂. Dado que la biomasa tiene la fórmula empírica aproximada de {CH ₂ O} el “agua” requerida para la gasificación se encuentra en gran medida en la biomasa, en sí misma. Dicha gasificación directa de biomasa también produce grandes cantidades de orgánicos que se procesan aguas abajo en la biorrefinería.

Una consideración importante en las biorrefinerías es el uso de catalizadores. En la medida de lo posible, las biorrefinerías deben utilizar catalizadores heterogéneos que no entren en el producto y catalizadores enzimáticos que operen a temperaturas moderadas.