Biorefinerias sustentables - integracion es la clave

Biorrefinerías sustentables: Integración es la clave Elías Martínez Hernández

Quizás hayas escuchado algo acerca de biocombustibles como el biodiésel y el bioetanol. De hecho, en 2012, 3.5% de la demanda global de combustibles para transporte fue cubierto por biocombustibles,1 los cuales se introdujeron como una forma de mitigar el cambio climático generado por gases de efecto invernadero, como el bióxido de carbono (CO2), que es emitido durante la quema de los biocombustibles, y se equilibra con el CO2 fijado en la materia prima, mediante fotosíntesis. Sin embargo, su producción induce emisiones indirectas, debido a los requerimientos de energía e insumos auxiliares que, generalmente, son de origen fósil. Otro de los problemas de los biocombustibles es que el uso de insumos alimenticios (trigo, maíz, oleaginosas) podría generar desequilibrios socioeconómicos, ya que de estos productos se obtienen actualmente, por lo que se debe buscar alternativas. Además, la introducción de biocombustibles requiere subsidios gubernamentales para que su producción sea económicamente viable.

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as biorrefinerías emergen como una posible solución para generar no sólo biocombustibles, sino múltiples productos de manera rentable y más sustentable, a partir de la biomasa.* En México, los recursos de biomasa son enormes, especialmente la basura (alrededor de 30 millones ton/año) y los residuos agrícolas y agroindustriales (71 millones ton/año), además de los forestales (3.6 millones ton/año).2 La biomasa ha sido siempre una fuente de energía, pero, para que su aprovechamiento sea realmente sustentable, algunas fracciones podrían ser recuperadas con el fin de darles un valor agregado, en lugar de quemar la biomasa por completo.

Las biorrefinerías emergen como una posible solución para producir no sólo biocombustibles, sino múltiples productos de manera rentable y más sustentable, a partir de la biomasa Se estima que, para 2020, la cadena de valor creada a partir del procesamiento de biomasa en biorrefinerías llegue a mover cerca de 295 billones de dólares;3 es por ello que las biorrefinerías se han vuelto un concepto interesante para la comunidad científica, la industria química y los agronegocios. El presente

artículo describe el concepto de biorrefinería y su integración sistemática, con especial énfasis en la ingeniería de procesos para su diseño sustentable.

Biorrefinerías y su integración

Básicamente, una biorrefinería es una planta industrial que transforma la biomasa en vapor, electricidad, biocombustibles, químicos, plásticos y otros productos de alto valor agregado. El concepto de una biorrefinería se ilustra en la figura 1, y su propósito es aprovechar cada fracción de la biomasa, mediante la integración eficiente de procesos físicos, químicos, termoquímicos y bioquímicos, para generar múltiples productos; y cuando esto se hace a partir de una misma materia prima, los costos de producción y de capital se distribuyen entre los productos, haciendo su manufactura mucho más rentable. Ante este panorama, podemos ver la posibilidad de extraer suplementos alimenticios y producir fertilizantes, lo que ayudaría a aliviar el conflicto con las materias primas alimenticias. La idea también es crear una economía circular que recicle tanto nutrientes como otros insumos auxiliares, lo que reduciría las emisiones y su impacto en el medio ambiente y los ecosistemas, permitiendo, a la vez, el ahorro de recursos no renovables. Además, la cadena de valor alrededor de una biorrefinería promovería el desarrollo económico, así como la integración de comunidades, si se usa biomasa producida localmente.

Figura 1. Concepto de biorrefinería Biomasa a procesamiento directo Energía, residuo co-producto etc.

FRACCIONAMIENTO O PRE-TRATAMIENTO BIOMASA Cultivos (Trigo, maíz, soya, etc.) Residuos agrícolas (rastrojo de maíz, cáscaras, hojas etc.) Madera y residuos forestales Basura orgánica

Extracción Hidrólisis Licuefacción Digentión anaerobia Tratamiento térmico, etc.

Gas de síntesis Azúcares Celulosa Aceite/grasa Lignina

* Los términos destacados con azul son explicados en el glosario de la página 39.

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PROCESAMIENTO Fermentación Síntesis química Tratamiento térmico (pirólisis, gasificación) Combustión

Biocombustibles Químicos Polímeros Electricidad Materiales

Extractos famacéuticos y nutritivos Fertilizantes Biocombustibles Materiales

El propósito de un biorrefinería es aprovechar cada fracción de la biomasa, mediante la integración eficiente de procesos físicos, químicos, termoquímicos y bioquímicos para generar múltiples productos Una de las claves para obtener las ventajas potenciales de una biorrefinería consiste en llevar a cabo su integración sistemática, la cual puede darse en distintos niveles, como se muestra en el modelo de cebolla en la figura 2. Dichos niveles pueden, a su vez, agruparse en integración interna o de procesos (intra e inter procesos) y la integración externa (con la cadena de valor y los ecosistemas), como aquí se muestra.

Integración interna o de procesos

Figura 2. Niveles de integración de una biorrefinería Ecosistemas

TE GR

Inter-procesos

AC IÓ

N

Cadena de valor

IN

La integración intra-proceso consiste en conectar los equipos de procesamiento con el fin de posibilitar el intercambio de materia y energía, dentro de un mismo proceso; por ejemplo, si existe una corriente fría que necesita ser calentada —como podría ser un producto que se destila a alta temperatura (biodiésel)— y una corriente caliente que requiere enfriamiento —como el caso de un producto que se obtiene en forma de vapor, pero requiera condensarse, como algún alcohol— éstas pueden intercambiar energía, transfiriendo calor de la corriente caliente a la fría. Un ejemplo de intercambio de masa se muestra cuando una corriente de gas —la cual podría provenir de algún proceso, como gasificación de la biomasa— que contiene un cierto contaminante (por ejemplo, sulfuro de hidrógeno, que produce el olor a podrido) se pone en contacto con una corriente de solvente como un alcohol —que podría suministrarse a partir de la fermentación de azúcares— para absorber dicho contaminante. Es decir, la corriente de gas transfiere el contaminante hacia el solvente. En el nivel de integración inter-procesos también se puede dar un intercambio similar; pero, particularmente, puede presentarse en un producto, coproducto o residuo por otra corriente distinta y de un proceso a otro. En este caso, se forman simbiosis o sinergias, en las cuales un proceso provee de materia prima a otro y este último regresa algún recurso material o energético al primero. La figura 3 muestra un ejemplo de integración inter-procesos para una biorrefinería a base de semillas de Jatropha curcas —conocida comúnmente como piñón—.4

Intra-proceso

La cascarilla o testa se emplea en un proceso compuesto de gasificación, síntesis química y combustión, el cual produce electricidad, calor y metanol. Entonces, este proceso suministra los tres productos a la producción de biodiésel que, a su vez, se obtiene al procesar el aceite. Así transcurren varios principios de una biorrefinería integrada: 1) se utiliza cada fracción de la materia prima, 2) los procesos pueden ser integrados y 3) se logra generar múltiples productos (figura 3).

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Una biorrefinería es una planta industrial útil para transformar la biomasa en productos energéticos (vapor, electricidad y biocombustibles), productos químicos, plásticos y otros materiales de alto valor agregado

Figura 3. Integración de una biorrefinería a base de semillas de piñón (Jatropha curcas)

Cascarilla o testa

Gas de síntesis

Gasificación

Síntesis de metanol

Electricidad

Producción de vapor y electricidad

Remoción de cascarilla

Extracción de aceite

Aceite

Producción de Biodiésel

Biodiésel

Semillas de piñón

Alimento para ganado

Como podrás darte cuenta, la integración de procesos consiste en seleccionar una mejor combinación entre las fuentes de materia y energía disponibles con los requerimientos de materia y energía de los procesos. Pudiera parecer sencillo a simple vista, cuando se habla de un solo proceso con dos o tres corrientes que intercambiar; sin embargo, la complejidad de las biorrefinerías se incrementaría si se procesara cada fracción de la biomasa, lo que crearía un sinnúmero de corrientes y procesos por combinar; en tal sentido, se debe recurrir a métodos sistemáticos para su integración y optimización.5

Integración externa

La integración de cadena de valor consiste en incorporar varias industrias interrelacionadas, en las cuales el producto o desecho de una se convierta en la materia prima de la otra, para lograr formar un ecosistema industrial (en analogía con un ecosistema en el que los desechos de una especie se convierten en el alimento de otra). En el ejemplo de la biorrefinería a base de piñón, el metanol (CH3OH) resultante de este proceso se

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Glicerol

puede también exportar a otro proceso para producir formaldehído (CH2O) o algún solvente. Así mismo, la electricidad producidad en la biorrefinería en el proceso de secado y acondicionamiento de las semillas. Por otro lado, la concha del fruto que contiene la semilla se puede usar como sustrato para digestión anaerobia y producir biogás como combustible, y el residuo, a su vez, podría ser utilizado como fertilizante para reciclar nutrientes, lo cual nos lleva al siguiente nivel de integración. La integración con los ecosistemas consiste en crear interacciones simbióticas abocadas a preservar el ecosistema que da soporte al suministro de biomasa o recibe las descargas de emisiones. Por ejemplo, la aplicación del residuo de digestión anaerobia recicla parte de los nutrientes removidos del suelo agrícola por el fruto de la Jatropha, por lo que tanto el proceso como el ecosistema se benefician. Las aguas residuales de cualquiera de los procesos podrían purificarse en humedales y regresar a los mantos acuíferos. Aunque no se muestra en la figura 2, otro nivel de integración involucra a la sociedad y, en este punto, se debe cuidar que las biorrefinerías realmente contribu-

yan a proveer fuentes de empleo, promover la igualdad y minimizar los riesgos contra la salud.

Una prospectiva

Se puede concluir que algunos de los factores críticos para que las biorrefinerías alcancen un nivel de eficiencia y sustentabilidad deseado incluyen: ◂ Desarrollo de tecnologías necesarias para separar y procesar cada fracción de la biomasa y convertirla en múltiples productos. Esto requiere investigación multidisciplinaria, incluyendo agrónomos, biotecnólogos, químicos e ingenieros de proceso entre otros. ◂ Una integración sistemática de las tecnologías de procesos, de manera que su funcionamiento, en conjunto, maximice el uso de la biomasa y minimice la generación de emisiones. ◂ El análisis de sustentabilidad, para asegurar que el sistema de biorrefinación es realmente más favorable que un sistema de producción basado en materias primas fósiles.

Para el futuro

Hasta hoy, muchos de los bienes y servicios que consumimos se originan, principalmente, a partir de las materias primas fósiles; pero es posible que en el futuro, combustibles, electricidad, medicamentos, componentes plásticos de nuestros aparatos electrónicos y otros bienes puedan generarse a partir de la biomasa; esto podría lograrse de manera económica y amigable con el ambiente y la sociedad, mediante el establecimiento de las biorrefinerías. Referencias: 1. IEA (International Energy Agency) (2013). Medium-Term Renewable Energy Market Report. 2013. 2. Sener (2005). Prospectiva sobre la utilización de las energías renovables en México. Una visión al año 2030. Anexos 1 y 2. México. 3. D. King (2010). The Future of Industrial Biorefineries. World Economic Forum. Switzerland. 4. E. Martínez-Hernández, J. Martínez-Herrera, G. M. Campbell, J. Sadhukhan (2014). “Process Integration, Energy and GHG Emission Analyses of Jatropha-Based Biorefinery Systems”. Biomass Conversion and Biorefinery, 4(2):105-124. 5. J. Sadhukhan, K. S. Ng, E. Martínez-Hernández (2014). Biorefineries and Chemical Processes: Design, Integration

Glosario:

◂◂ Biomasa: material orgánico de origen relativamente reciente y renovable, como plantas, leña, cultivos y residuos agrícolas, residuos de comida, etcétera. ◂◂ Cadena de valor: serie de actividades o procesos interconectados que generan un producto final de valor agregado; por ejemplo, la cadena de valor de biodiésel podría simplificarse como: producción de semilla B extracción de aceite B producción de biodiesel Btransporte y venta de biodiesel. ◂◂ Co-producto: se obtiene adicionalmente al producto principal que se quiere elaborar en un proceso. Por ejemplo, en la producción de biodiésel —el producto principal— siempre se obtiene glicerol, el cual puede purificarse y venderse como co-producto.

and Sustainability Analysis. Reino Unido: Wiley. Elías Martínez Hernández es Ingeniero Químico por la UNAM y doctor en Ingeniería Química (Integración de Procesos) por la Universidad de Manchester. Actualmente, es investigador posdoctoral en la Universidad de Oxford y candidato al SNI. Es coautor del libro de texto Biorrefinerías y procesos químicos: Diseño, integración y análisis de sustentabilidad, publicado en inglés. Sus temas de investigación incluyen la integración de procesos, interacción industria-ecosistema, nexo agua-energía-agricultura, dinámica de sistemas y análisis de ciclo de vida.

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