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1.2.2 Melazas de caña
Los principales cultivos azucarados empleados para la producción de jugos (normalmente denominados melazas) que pueden ser fermentados a bioetanol, son la caña de azúcar y la remolacha azucarera.
La caña de azúcar (16,5 % azúcares) se emplea mayoritariamente en Perú y en otros países de clima tropical (como India y Tailandia).
Sin embargo, a pesar de que en la actualidad se están desarrollando procesos capaces de transformar íntegramente este cultivo a bioetanol, es importante destacar que la caña de azúcar es una de las materias primas más importantes para la obtención de azúcar de uso alimentario, y por esta razón los procesos más comunes y desarrollados son los que permiten el aprovechamiento de las melazas obtenidas tras la extracción de este producto.
Existen varios tipos de melazas; las de caña de azúcar son de las más abundantes y se componen básicamente de los jugos azucarados obtenidos tras la cristalización del azúcar en las plantas azucareras.
A primera vista, las melazas pueden parecer la materia prima más adecuada para la producción de bioetanol. Esto es debido a que los azúcares se encuentran libres en el medio líquido y por tanto no es necesario llevar a cabo procesos de hidrólisis como en el caso del grano de cereal u otras materias primas ricas en almidón.
Las melazas de remolacha azucarera suelen tener un menor contenido de azúcares que las de caña, y su composición es mayoritariamente sacarosa.
El grado de concentración de estos jugos se suele medir en grados brix (º Bx). Se trata de una medida que determina el contenido en azúcares de un líquido, si todos los sólidos en suspensión fuesen azúcares.
1.2.3 Alcoholes residuales de origen vinícola (sur de Perú)
Estos alcoholes, procedentes de excedentes vínicos, tienen alrededor de 92 % de etanol. Esto hace que el proceso se simplifique, pues la materia prima de partida es ya un alcohol.
1.3 Biogás
El biogás puede definirse como el producto gaseoso de la descomposición de la materia orgánica en condiciones anaerobias. Dicha descomposición se realiza por la acción de bacterias que transforman la materia orgánica en una mezcla de productos gaseosos, o biogás (fundamentalmente CH4, CO2, H2, H2S), y una mezcla de productos minerales y de compuestos de difícil degradación, denominada digestato.
2. PRODUCCIÓN DE BIOCOMBUSTIBLES DE PRIMERA GENERACIÓn
Se han clasificado las tecnologías de primera generación según el tipo de biocombustible que se quiera producir, y aunque sean diferentes entre sí, todas ellas presentan las siguientes ventajas respecto a las tecnologías de segunda generación:
– Alto grado de desarrollo tecnológico.
– Plena disposición en el mercado.
– Económicamente más viables.
El alto grado de desarrollo de estas tecnologías hace que en la actualidad resulte más rentable inclinarse por las tecnologías de primera, ya consolidadas, que por tecnologías de segunda, puesto que aún requerirán más tiempo para alcanzar su madurez.
Como anteriormente se ha mencionado, el bioetanol y el biodiésel son los compuestos que básicamente se van a tratar, debido a su relevancia en el mercado.
2.1 Biodiésel por transesterificación
El biodiésel se obtiene mediante la transesterificación. La capacidad de este proceso para tratar diferentes tipos de aceites y grasas da una idea de su flexibilidad y de la ventaja que esto representa.
Los aceites vegetales y las grasas animales utilizados están compuestos principalmente de triglicéridos, que son una combinación de ácidos grasos saturados e insaturados de diferentes pesos moleculares y glicerina. Para obtener el biodiésel es necesario convertir los triglicéridos en ésteres de metilo o etilo, lo cual se consigue a través de una reacción denominada transesterificación. En este proceso se produce la reacción de las tres cadenas de ácidos grasos (cadenas ésteres) de cada molécula de triglicérido con un alcohol (generalmente metanol), produciéndose la separación de estas cadenas de la molécula de glicerina. Esta separación necesita de calentamiento y de un catalizador.
Tras esta separación, llega la unión de las tres cadenas con el alcohol (normalmente metanol o etanol), lo que las convierte en ésteres metílicos o etílicos, es decir en biodiésel.
El biodiésel producido deberá ser de calidad para su correcta comercialización, y para ello deberá cumplir con las respectivas normas de calidad. El subproducto obtenido de la transesterificación, es la glicerina, que tiene aplicaciones en farmacéutica previa purificación.
2.2 Bioetanol
2.2.1 Tecnologías basadas en el uso de cereales
Esta tecnología, además de ser un proceso maduro, también es flexible, ya que es capaz de tratar cualquier tipo de cereal.
El proceso comienza con el pretratamiento de uno o de varios tipos de cereal para un mejor desarrollo de las etapas posteriores. La clave de este proceso está en transformar el máximo contenido de almidón (contenido en la materia) en moléculas de glucosa, llevándose a cabo para ello las etapas de licuefacción y sacarificación.
Una vez obtenidas, se realiza una fermentación para llegar así al alcohol en cuestión. Este alcohol será tratado adecuadamente, hasta el punto de que llegue a cumplir con la normativa existente.
Como subproducto se obtiene DDGS (Dried Distillers Grains with Solubles), producto de alto valor proteico, usado en alimentación animal.
2.2.2 Tecnologías basadas en el uso de jugos azucarados
Esta tecnología procesa materias primas ricas en azúcares, como son las melazas, obtenidas de la propia caña de azúcar.
El objetivo en este proceso es transformar los azúcares en bioetanol, y para ello no es necesario realizar etapas de licuefacción ni sacarificación, bastaría simplemente con realizar una fermentación directa para obtener el bioetanol.
2.2.3 Tecnologías basadas en destilación de residuales vínicos
En este proceso, a diferencia de los dos anteriores, la materia prima tratada es ya un alcohol bruto procedente de excedentes vínicos.
El proceso básicamente se compone de destilaciones, que serán las encargadas de eliminar los componentes indeseados en el alcohol y de conseguir un etanol que cumpla con las respectivas normas de calidad.
2.3 Biogás y transformaciones bioquímicas
El proceso de formación del biogás se genera partir de las reacciones de degradación de la materia orgánica, donde se produce una serie de reacciones químicas y bioquímicas por acción de microorganismos, los cuales llevan a cabo biotransformaciones específicas. Estas reacciones se llevan a cabo en un ambiente reductor, libre de oxígeno u otros oxidantes fuertes. Este proceso se conoce como digestión anaerobia, que en términos generales podemos desarrollar en tres etapas fundamentales:
– Primera etapa:
Se produce una hidrólisis y fermentación, la cual es llevada a cabo por bacterias hidrolíticas y acidogénicas que degradan los hidratos de carbono, lípidos y proteínas, por lo que se generan ácidos grasos volátiles, hidrógeno, amoniaco y dióxido de carbono.
– Segunda etapa:
Se produce ácido acético, dióxido de carbono e hidrógeno a partir de los ácidos grasos volátiles. Esta fase se denomina acetogénesis.
– Tercera etapa:
Denominada metalogénesis. Se produce dióxido de carbono y metano mediante bacterias metanogénicas, las cuales son anaerobias estrictas.
Tras este proceso se genera un biogás que contiene un alto porcentaje de metano, CH4 (entre 50 y 70 %), por lo que puede ser empleado para producir energía mediante su combustión en motores, turbinas o calderas.
La composición del biogás es variable y depende del sustrato digerido y del tipo de tecnología utilizada, pero suele estar en torno a los siguientes valores:
– 50-70 % de metano (CH4).
– 30-40 % de dióxido de carbono (CO2).
– ≤ 5 % de hidrógeno (H2), ácido sulfhídrico (H2S) y otros gases.
En general, el biogás se genera a partir de residuos orgánicos (ganaderos, agrícolas, urbanos, lodos procedentes de tratamiento de aguas residuales…). Las dos principales materias primas utilizadas son, por un lado, los cultivos energéticos, dedicados exclusivamente a la producción de biogás (como pueden ser el maíz, cereales, sorgo, forraje) y de los que se obtiene un elevado rendimiento energético, y por otro, el uso de residuos orgánicos.
Esta segunda opción, aunque quizás con menor rendimiento energético, aparte de la producción de energía renovable, tiene una serie de ventajas, como la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero, pues evita las emisiones que se producirían por la fermentación de los residuos orgánicos, y a su vez impide la contaminación de los suelos y las aguas donde se vierten estos residuos.
Su valor energético como combustible depende del contenido de metano. Por ejemplo, para un biogás con contenido medio de metano de un 60 %, se tiene un poder calorífico en torno a 6,4 kWh/Nm3. Esto equivale a 0,8 litros de gasolina, a 0,6 m3 de gas natural o 0,3 kg de carbón.
Desde el punto de vista de la tecnología empleada en la producción de biogás, existen varios diseños de reactor. Los básicos son el reactor en flujo pistón y el reactor de mezcla completa discontinuo (ver figura 4). En la figura 5 se muestra un diagrama conceptual para la purificación del biogás proveniente del reactor.
3. BIOCOMBUSTIBLES E INSUMOS DE SEGUNDA GENERACIÓN
Los biocombustibles de segunda generación se definen por características que se describen a continuación:
– Utilizan materias primas no convencionales (lignocelulósicas u otras).
– Presentan una elevada capacidad de reducción de las emisiones de efecto invernadero y de ahorro energético.
– Se obtienen a partir de procesos complejos.
– Son producidos de manera sostenible.
– Estas materias primas (lignocelulósicas u otras) presentan una clara ventaja frente a las convencionales: no compiten con el mercado alimentario y por tanto están fuera de polémica social.
– Con ellas se consigue un aumento en el rango de materias para la producción de biocombustibles, y se reduce aún más el riesgo de depender de una sola, como es el caso del petróleo en los combustibles fósiles.
– Dentro de la gran variedad de materias primas, lo realmente importante no es la elección de una de estas, sino que independientemente de cuál se escoja, el biocombustible debe ser producido de una manera sostenible. Así, por tanto, serán igual de válidas tanto las tecnologías de primera como las de segunda.
– Los procesos denominados de segunda generación son procesos complejos que aún no tienen un grado de desarrollo como pueden tener los de primera (se encuentran en una fase preindustrial), pero, sin lugar a dudas, tendrán una disponibilidad comercial en un periodo muy breve de tiempo, y además serán necesarios para, junto con los de primera, lograr reducir la dependencia energética y los efectos medioambientales.
Las materias primas utilizadas en tecnologías de transformación de segunda generación son las algas y la biomasa lignocelulósica, que describiremos.
3.1 Algas para la obtención de biodiésel y bioetanol
Las algas son organismos vegetales que necesitan tres componentes esenciales para su desarrollo: luz, anhídrido carbónico y agua.
Algunas especies contienen un alto contenido en grasas que resultan determinantes para la producción de aceites, las cuales son necesarias para la obtención de biodiésel (materia lipoalgal). Las más apropiadas son las microalgas.
Los cultivos de algas comenzaron en los años sesenta en Japón, para la industria alimentaria, y en el año 1978 se inició el desarrollo de cultivos de algas para la producción de biocombustibles. Actualmente, hay diversos centros de investigación que están desarrollando nuevas variedades de algas, y los rendimientos van mejorando constantemente. Estos son prometedores, pero habrá que esperar un mayor escalado para poder tener datos más fiables.
Algunas especies contienen materia lignocelulósica que puede aprovecharse para la producción de bioetanol, mediante hidrólisis y fermentación.
3.2 Biomasa lignocelulósica para obtener bioetanol
La biomasa lignocelulósica engloba una gran parte de los materiales con alto contenido de celulosa que se generan como residuos en los procesos productivos de los sectores agrícola, forestal e industrial. Dichos materiales son susceptibles de ser utilizados como materia prima para la producción de los productos anteriormente citados. Entre ellos están:
– Los residuos agrícolas, que proceden de los cultivos leñosos y herbáceos; entre ellos, hay que destacar los producidos en los cultivos de cereal y en algunos otros cultivos con utilidad industrial textil y oleícola.
– La biomasa de origen forestal, que proviene de los tratamientos silvícolas y de la mejora y mantenimiento de los montes y masas forestales.
– La biomasa de origen industrial, que engloba aquellos residuos generados en las industrias, como la papelera, y la fracción orgánica de los residuos sólidos industriales. Muchos de estos residuos no solo tienen un valor económico en el contexto en el que se generan, sino que suelen provocar problemas ambientales durante su eliminación.
– Los cultivos energéticos, que incluyen cultivos de naturaleza herbácea y forestal.
La biomasa lignocelulósica presenta una estructura compleja compuesta de tres fracciones de biomasa seca, que deben ser procesadas por separado para asegurar una conversión eficiente de este tipo de materiales a etanol; estas tres fracciones son: la celulosa (40-60 %), la hemicelulosa (20-40 %) y la lignina (10-25 %). De esta forma, puede decirse que el complejo lignocelulósico es una especie de matriz de carbohidratos compuesta de celulosa y lignina, enlazada por cadenas de hemicelulosa.
La celulosa está compuesta de cadenas largas de moléculas D-glucosa unidas por enlaces beta (1-4), que, a su vez, se agrupan en estructuras superiores de gran cristalinidad, lo que dificulta su hidrólisis y conversión a azúcares fermentables. Sin embargo, una vez que se producen los azúcares simples, pueden fermentarse sin dificultad.
La celulosa puede ser hidrolizada a etanol mediante procesos ácidos o enzimáticos.
La hemicelulosa está formada por polímeros de azúcares de cinco átomos de carbono (principalmente xilosa). Esta fracción es fácilmente hidrolizable, ya que no presenta estructura cristalina; sin embargo, la xilosa es un azúcar difícil de fermentar a etanol.
La lignina es un polímero tridimensional de unidades de fenil-propano ligadas por enlaces éster y carbono-carbono.
Además de estas tres fracciones, la biomasa lignocelulósica posee un pequeño porcentaje de cenizas.
4. PRODUCCIÓN DE SEGUNDA GENERACIÓN DE COMBUSTIBLES
Los compuestos que se pueden obtener a partir de tecnologías de segunda generación son muchos. Los principales compuestos se pueden observar en las figuras 6 y 7.
4.1 Biodiésel a partir de especies no alimentarias
El biodiésel a partir de materia no alimentaria se puede obtener de la siguiente manera:
– Aceite de especies no alimentarias de cultivos en suelos no arables o similares.
– Materia lipoalgal, que corresponde al aceite de algas.
En cuanto al proceso se refiere, la tecnología de extracción será diferente a la empleada con materias convencionales.
Las algas se cultivan en balsas, tubos o canales de escasa profundidad, para permitir una mayor iluminación. Una vez desarrolladas y aportando debidamente los componentes esenciales, se extraen de su medio de crecimiento mediante un adecuado proceso de separación, y se extrae el aceite. Finalmente, tendrá lugar la conversión de este a biodiésel mediante la reacción de transesterificación.
4.2 Bioetanol a partir de productos lignocelulósicos
El bioetanol de la lignocelulósica se obtiene a partir de:
– Materia lignocelulósica de especies no alimentarias de cultivos en suelo no arable.
– Materia lignocelulósica algal (algas).
Existen tres procesos para la obtención del bioetanol:
– Proceso de obtención de bioetanol mediante hidrólisis enzimática y fermentación (bioquímico).
– Proceso de obtención de bioetanol mediante gasificación y fermentación (mixto o combinado).
– Proceso de obtención de etanol mediante gasificación y síntesis (termoquímico).
De los tres procesos, el termoquímico presenta mayor robustez en cuanto a las condiciones del proceso, ya que no requiere la presencia de seres vivos (levaduras, etc.), como sucede en el caso de las rutas mixta y bioquímica.
El aprovechamiento de la materia prima es otro factor a tener en cuenta, pues según qué proceso se escoja, ésta se consumirá parcial o totalmente. En el caso de las vías termoquímicas y mixtas, el aprovechamiento de la materia para la conversión a bioetanol es total; mientras que en la vía bioquímica solo se aprovechan los hidratos de carbono presentes en la materia prima de partida.
Estas son algunas de las diferencias que pueden presentar entre sí, pero la elección de un proceso u otro requerirá de un estudio muy minucioso, ya que se dependerá de múltiples factores.
4.3 Dimetiléter a partir del metanol y del gas de síntesis
El dimetiléter (DME) es un combustible sintético que no se suele obtener a partir de la refinación del petróleo.
Existen dos procesos para la obtención del DME:
– Síntesis en dos etapas a partir del metanol:
Primero se sintetiza el metanol, que posteriormente es deshidratado para obtener el DME. Este es el proceso más empleado.
– Producción directa a partir del gas de síntesis:
Es un proceso relativamente nuevo, a partir de la mezcla CO/H2. Se encuentra en desarrollo y puede resultar más eficiente en términos económicos y de consumo energético, comparado con el método de metanol.
4.4 Obtención del hidrógeno
El proceso más común de obtención de H2 es a partir del gas natural, sin embargo también existen otras fuentes potenciales de producción, como es el caso de la biomasa, y sobre todo mediante la electrólisis del agua.
La producción de hidrógeno a partir del gas de síntesis obtenido mediante gasificación de biomasa se encuentra en una etapa experimental, debido a la mayor complejidad del proceso de gasificación y al menor contenido en hidrógeno de la biomasa con respecto al gas natural.
4.5 Biocombustibles Fischer-Tropsch
El proceso Fischer-Tropsch (FT) permite obtener combustibles similares a los que se obtienen a partir del refinado del petróleo, y es un proceso que presenta mayor flexibilidad, porque permite dirigir la síntesis y lograr las características deseadas del producto. Se pueden obtener dos tipos de combustibles con las siguientes características:
– Elevado número de cetano (>74) y contenido nulo en compuestos aromáticos.
– Moderado número de cetano (60) y bajo contenido en compuestos aromáticos (<15 %).
Como ya se ha dicho, las propiedades del diésel FT son muy similares a las del diésel derivado del petróleo, por tanto, es perfectamente compatible con la red de almacenamiento, distribución y manejo existente para el diésel fósil, sin necesidad de realizar modificaciones.
Los fabricantes de automóviles aceptan su empleo en motores Diésel, aunque aconsejan la adición de aditivos para mejorar su lubricidad, pues es menor que la del diésel fósil. Por ello, a la hora de emplearlo como combustible en los motores Diésel, es conveniente adicionar un lubricante que podría ser el propio diésel e incluso el biodiésel.
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