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Agroindustria de los Biocombustibles
.
Energía de la biomasa
Juan Carlos Clavijo Salinas
2013 - I
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La biomasa
• Es cualquier materia orgánica derivada de actividades humanas, agrícolas, pecuarias o agroindustriales, como resultado de un proceso primordialmente fotosintético.
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Energía de Enlace
Químico
Sol
Agua CO2
Fotosíntesis
Compuestos inorgánicos
Compuestos orgánicos
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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.
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112 kcal
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Biomasa primaria
Pastos
Árboles y arbustos
Cultivos como caña de azúcar
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8
Biomasa de origen agrícola
Cáscaras
Residuos agrícolas de cosecha: tallos, hojas, raíces, brotes
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Biomasa de origen pecuario
Pollinaza
Bovinaza
Porcinaza
Plumas
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Biomasa de origen agroindustrial
Vinaza
Bagazo
Cascarilla de café
Restos del sacrificio de ganado
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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/
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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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20
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
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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
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Procesos Bioquímicos
Fermentación Alcohólica
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28
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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29
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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30
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
![Page 34: 2. Energia Biomasa 13-15 Feb](https://reader034.vdocuments.co/reader034/viewer/2022042522/55cf9916550346d0339b7ee4/html5/thumbnails/34.jpg)
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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
![Page 35: 2. Energia Biomasa 13-15 Feb](https://reader034.vdocuments.co/reader034/viewer/2022042522/55cf9916550346d0339b7ee4/html5/thumbnails/35.jpg)
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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.
![Page 36: 2. Energia Biomasa 13-15 Feb](https://reader034.vdocuments.co/reader034/viewer/2022042522/55cf9916550346d0339b7ee4/html5/thumbnails/36.jpg)
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.
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www.biodisol.com
Digestión Anaeróbica
Material orgánico
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39
Rutas Metabólicas de la Digestión Anaeróbica
• Bacterias:– Acidogénicas– Acetogénicas– Desnitrificantes– Sulfatoreductoras– Metanogénicas
• Diferentes velocidades• pH bajo inhibe
metanogénesis• Tamaño de partícula
www.biodisol.com
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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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42
Sistema de dos etapas usado por Parawira et al, 2008
Consideraciones para los RACProblemas de acidificación….. Inhibición de la metanogénesis
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Procesos Bioquímicos
Compostaje
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44
• 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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45
Compostaje de RAC
Microorganismos
Fuentes de C y N (Cachaza, Bagazo, RAC)
Humedad (Vinazas)
Oxígeno (aire)
CO2NH3
Vap. H2OCalor
CompostCenizas
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46
Etapas del compostaje
°C
Semanas
Mesofílica
Termofílica
Enfriamiento
Maduración
A mayor temperatura, mayor velocidad del proceso… pero mayor liberación de NH3 ….
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Procesos Termoquímicos
Combustión
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48
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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49
• 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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50
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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51
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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53
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
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Procesos Termoquímicos
Pirólisis
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55
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
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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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63
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
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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
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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
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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.
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Procesos Físicoquímicos
Extracción y transesterificación de aceites
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Biomasas oleaginosas
• Contienen aceites vegetales en sus semillas o frutos. Por ejemplo:– Girasol– Colza– Soja– Palma
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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
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Balance de masa del prensado
PrensaP < 2500 kg/cm2
Biomasa Torta
Mezcla de Aceite, agua y lodos
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Extracción por solventesPercolación o lixiviación Inmersión
Métodos de extracción de aceites
http://www.gestionforestal.cl
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Transesterificación