Biotecnología industrial: el concepto de biorrefinería. La biomasa: tipos y aprovechamientos en Biorrefinería Lignocelulósica Juan Carlos Villar Centro de Investigación Forestal del INIA

Real Academia de Ingenería, 24 de septiembre de 2013

Ácido Láctico Adhesivos Aminoácidos Biofilms Cargas Celulosa Detergentes Disolventes Dispersantes Etanol Fenoles Fluidos dieléctricos Furfural Lubricantes Papel y Cartón Pigmentos Pinturas

Biorrefinerías y Bio-Productos

Biorrefinería es una industria integrada que:

Usa biomasa como materia prima

La transforma integrando una serie de tecnologías/procesos fisico-mecánicos, temo-químicos, químicos o biológicos

Produce un diversos productos como energía, biocombustibles, productos químicos, materiales, alimentos o piensos.

Hace un uso sostenible de los recursos (materias primas, energía, agua, …)

Polímeros Recubrimientos Tintas Vainillina

Agricultura: soja, caña, paja, tallos, podas… Forestal: chopo, ramas, residuos de podas y clareos… Industria y residuos urbanos: papel, lodos de depuradora, RSU,… Acuicultura: algas…

Origen de las Materias Primas en Biorrefinerías

Principales tipos de Biorrefinerías*

1. Biorrefinería convencional. 2. Biorrefinería de cereales. 3. Biorrefinería lignocelulósica. 4. Biorrefinería termoquímica. 5. Biorrefinería marina. 6. Biorrefinería forestal. 7. Biorrefinería verde. 8. Biorrefinería de dos plataformas. 9. Biorrefinería catalítica en fase líquida.

* Tomado de: F Cherubini et al. (2009) “Toward a common classification approach for biorefinery systems” Biofuels, Bioprod. Bioref. DOI: 10.1002/bbb.172.

1. Biorrefinería convencional. 2. Biorrefinería de cereales. 3. Biorrefinería lignocelulósica. 4. Biorrefinería termoquímica. 5. Biorrefinería marina. 6. Biorrefinería forestal. 7. Biorrefinería verde. 8. Biorrefinería de dos plataformas. 9. Biorrefinería catalítica en fase líquida.

Principales tipos de Biorrefinerías

Caña de azúcar Extracción Azúcares Fermentación Bio-Etanol

Cultivo Oleaginoso Extracción Aceites Transesterificacion Bio-Diesel

Cultivos Amiláceos Sacarificación del Almidón Fermentación Bio-Etanol

Biorrefinerías de 1ª Generación

Limitada diversidad de productos Competencia con alimentos

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1. Biorrefinería convencional. 2. Biorrefinería de cereales. 3. Biorrefinería lignocelulósica. 4. Biorrefinería termoquímica. 5. Biorrefinería marina. 6. Biorrefinería forestal. 7. Biorrefinería verde. 8. Biorrefinería de dos plataformas. 9. Biorrefinería catalítica en fase líquida.

Principales tipos de Biorrefinerías

Lignocelulosa: material estructural de las plantas

Compuesto de Celulosa, Hemicelulosas y lignina

Abundante y ubicua

Resistente a la degradación

Celulosa (40-50%) Polímero lineal Glu

Lignina (15-32%) Polímero Fenil-propano

Hemicelulosas (15-30%) Polímero ramificados de Xil, Ara, Glu, Man, Gal

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Métodos de Fraccionamiento

Celulosa (40-50%) Polímero lineal Glu

Lignina (15-32%) Polímero Fenil-propano

Hemicelulosas (15-30%) Polímero ramificados de Xil, Ara, Glu, Man, Gal

Hot Water hydrolysis Pressurized hot water at 120-220ºC. Lower temperatures cause poor hydrolysis (hemicelluloses) . Cellulose hydrolysis occurs above 220º.

Alkaline hydrolysis Use sodium, potassium or calcium hydroxides. Temperature < 120ºC. Cause delignification. Moderately efficient to remove hemicelluloses

Steam Explosion Saturated Steam at 160-250ºC. Rapid decompression after a few minutes. High hemicelluloses hydrolysis while cellulose remains unaltered.

Acid hydrolysis Use diluted (0.5-4%) mineral acids. Temperature: 120-200ºC. Adequate for sugars production. Hemicellulose hydrolysis increases porosity and favors saccharification.

Proceso al sulfato (o kraft) de obtención de pasta de celulosa

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Debarking and chipping

Wood

Causticizing Green Liquor Na2CO3

Na2S CaO CO2

Lime Furnace

CaCO3

Pulp Washers

Recovery Boiler

Black Liquor

Crude Pulp Cooking

Digester Chips

White Liquor NaOH Na2S

Bleaching or Brown Grades

Na2SO4

Tall Oil

Bark Boiler

CO2

CO2

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Total Alkaly: c.a. 150 Kg NaOH/t.

LIGNIN

ACETYL GROUPS

URONIC ACIDS

CARBOHYDRATES

Low yield: c.a. 50%

Kraft Pulping Alkaly Consumption Distribution (%)

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Kraft PulpingStages of the delignification

High chemical consumption (40%) at 100-110ºC, and only 10% delignification

Delignification vs. Time

Low Selectivity at the end of cooking

Initial delignification

Bulk delignification

Residualdelignification

INIA – CIFOR. Laboratorios de Celulosa y Papel

Una experiencia sobre integración Kraft-Biorrefinería

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Ventajas

• +Productividad (- 50% tiempo cocción)

• - Lignina residual (Kappa -70%)

• +Estabilidad en el color (-88% Ac.

Hexenurónicos)

• ≈ Integridad de la Celulosa

• +Blancura

Desventajas

• - Rendimiento Pasta (-10%)

• + Consumo Reactivos

• - Propiedades Mecánicas

Balance Kraft SE + Kaft

Pulp produced by batch (Kg) 50 40

Solids in Black Liquor (Kg) 50 40

Sugars production: xil + glu (Kg)

0 21

Pulp production(1) (%) 100 128

Calorific value(2) of black liquors (%)

100 68

Energy(3) in cooking + SE (%) 100 64

(1) Assuming a 60% more of batches by a given period of time

(2) Assuming: initial lig/hemic ratio: 1; calorific value hemic= ½ calorific value Lig; hemic. Removal 50%

(3) Calculated as directly proportional to reaction time

Scenario. Medium SE severity; So= 3.56 (13 min.) Cooking time: 60min (25 min. for SE) at 160ºC

BALANCES

Fraccionamiento de maderas coníferas con mezclas disolvente - agua

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OH

OCH 3 H 3 CO

CH 2 OH

OH

OCH 3

CH 2 OH

Guayacilo Siringilo

Coníferas Frondosas

--- Frondosas

Frondosas Coníferas

Celulosa 39– 45 40 -42

Hemicelulosas

18 – 33 18– 28

Xilanos 14 – 27 8 – 9

Gluco-mananos 1 – 3 14– 16

Otras HC 2,0 – 4,2 3,4 - 3,6

Lignina 20 – 30 25 – 32

Extractos 1– 3 2 – 8

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Deslignificación Con disolventes

Lavado y Filtración

Destilación del disolvente

Filtración y lavado

Lignocelulosa

Disolvente

Agua

Hemicelulosas (aq.) Lignina (ppdo.)

Celulosa (sol.) Hemicelulosas (dis.) Lignina (dis.)

Lignina (sol.)

Celulosa (sol.) Hemicelulosas (aq.)

Hemicelulosas (dis.) Lignina (dis.)

Ventajas

• Fraccionamiento sencillo

• Lignina de calidad (sin S)

• Sin inhibiciones para la

sacarificación de celulosa

• Aplicable a toda la LC

• Admite instalaciones

pequeñas

Desventajas

• Alta presión

• Alto coste en evaporación

• Coste de la separación de

subproductos (depende del

disolvente y condiciones)

Sacarificación + Fermentación Sacarificación + Fermentación

Fraccionamiento con mezclas disolvente - agua

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GRACIAS POR SU ATENCIÓN