2. Energia Biomasa 13-15 Feb
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Agroindustria de los Biocombustibles
.
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
8
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/
15
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.
38
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
40
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
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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
64
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
65
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
66
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