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Evolucion de las plantas de biogas agroindustrial hacia nuevos modelos basados en el concepto de biorrefineria

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La Revista Retema ha publicado un artículo en su edición especial sobre bioenergía: "La evolución de las plantas de biogás agroindustrial hacia nuevos modelos basados en el concepto de biorrefinería" en el que se revisa el concepto de biorefinería, se analiza el potencial y las oportunidades que ofrece la digestión anaerobia en el contexto de estas instalaciones.

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Evolucion de las plantas de biogas agroindustrial hacia nuevos modelos basados en el concepto de biorrefineria

  1. 1. Evolución de las plantas de biogás agroindustrial hacia nuevos modelos basados en el concepto de biorefinería L a digestión anaerobia está llamada a convertirse en una tecnología de gran im- portancia para el desarrollo de las futuras biorefinerías. Ya se emplea como tecnología auxiliar para valorizar corrientes residua- les, pero debe potenciarse su uso como tecnología principal. El reto es replantear las plantas de bio- gás actuales ampliando su gama de productos finales yendo mu- cho más allá de la venta de la electricidad. Las empresas deben apostar por la innovación desa- rrollando el potencial de nuevas plataformas como la de los ácidos grasos volátiles, biogás y digeri- do, que permitirán en el futuro ob- tener desde bioplásticos y “com- modities” químicas, a biomasas de alto valor como las microalgas. Es el momento de hacerlo. La Unión Europea ha decidido utili- zar las biorefinerías como instru- mento clave en su objetivo de de- sarrollar una nueva bioeconomía para desplazar a la economía ba- sada en el petróleo y ofrece mu- chas posibilidades para financiar proyectos demostrativos. El pro- yecto de biorefinería CLAMBER en Castilla-LaMancha es el refe- rente en España y ofrece una gran oportunidad para validar nuevos modelos de biorefinería, como por ejemplo, el desarrollando por AI- NIA a partir de deyecciones gana- deras. El presente artículo revisa el concepto de biorefinería, anali- za el potencial y las oportunidades que ofrece la digestión anaerobia en el contexto de estas instalacio- nes, y por último, explica nuestra propuesta de biorefinería para de- yecciones ganaderas. EL CONCEPTO DE BIOREFINERÍA La biomasa es la materia prima de una biorefinería del mismo mo- do que el petróleo es la de una re- finería tradicional. Por biomasa se entiende desde cultivos tradicio- nales hasta microalgas pasando por residuos orgánicos de origen agrícola, ganadero, forestal, in- dustrial o urbano. Las biorefinerí- as se caracterizan por transformar 34 Especial BIOENERGÍA 2015RETEMA I www.retema.es I Andrés Pascual, Leticia Regueiro, Gracia Silvestre Departamento de Medio Ambiente, Bioenergía e Higiene Industrial Ainia Centro Tecnológico I www.ainia.es EVOLUCIÓN DE LAS PLANTAS DE BIOGÁS HACIA EL MODELO DE BIOREFINERÍA
  2. 2. la biomasa en varios productos finales incluyendo bioenergía en forma de electricidad y/o calor, o biocombusti- bles sólidos, líquidos como el biodiesel o el bioetanol, y gaseosos como el bio- gás. Otros productos son alimentos, piensos, fertilizantes y los bioproductos o “bio-based products” que son la ver- sión de origen “bio” de numerosos pro- ductos de consumo o materiales de ori- gen fósil: bioplásticos, biopinturas, bioadhesivos, biolubricantes, etc. Tam- bién se obtienen compuestos sencillos denominados bioquímicos o “biochemi- cals” que bien se venden como “com- modities” químicas a otras industrias, o se emplean internamente como ladri- llos químicos o “building blocks” para ser transformados en bioproductos. Los productos finales de las biorefinerí- as pueden bien sustituir a productos ya existentes en el mercado, generalmen- te de origen fósil, o bien convertirse en nuevos incorporando funcionalidades diferentes o mejoradas. Para conseguir esta amplia gama de productos las biorefinerías integran en una misma instalación distintos proce- sos que pueden ser físicos, químicos, termo-químicos o biotecnológicos. Los productos intermedios que se generan tras las trasformaciones primarias de la biomasa, se denominan “plataformas” a partir de las cuales se aplican procesos de transformación o refinado secunda- rios hasta alcanzar los productos fina- les. Ejemplos de plataformas son mez- clas de azúcares C5 y C6, lignina, fi- bras, proteínas, aceites y lípidos, bio- gas, gas de síntesis (syngas). Estos productos intermedios que se producen en los procesos primarios de biorrefine- ría, seguirán siendo procesados en la biorrefinería hasta obtener los productos finales (bioenergía y bioproductos). Por ejemplo, una biomasa rica en he- micelulosa se transforma mediante hi- drólisis en una plataforma de azúcares C5 y C6 que a continuación se procesan hasta la obtención de sorbitol y furfural. Aproximadamente, cada año se produ- ce 1 millón de toneladas de sorbitol como ingrediente alimentario, ingrediente para pasta de dientes, y para usos industriales. La ta- bla 2 muestra algunos ejemplos de bio- refinería que ya operan en la UE. Existen muchos tipos de biomasas y combinaciones posibles con platafor- mas y productos finales siendo la flexibi- lidad de una biorefinería una caracterís- tica clave para poder incorporar nuevos procesos en instalaciones existentes. El concepto de biorrefinería lleva asociado obtener productos con un elevado grado de sostenibilidad medio- ambiental y socio-económica por lo EVOLUCIÓN DE LAS PLANTAS DE BIOGÁS HACIA EL MODELO DE BIOREFINERÍA 35Especial BIOENERGÍA 2015I www.retema.es I RETEMA Tabla 1. Productos finales de una biorefinería Bioenergía Bioproductos (“bio-based products”) • Electricidad • Calor • Biocombustibles: - Sólidos: pellets y otros. - Líquidos: bioetanol biodiesel biobutanol jet-fuel - Gas: syngas biogas biometano biohidrógeno CO2 • Alimentos. • Piensos. • Fertilizantes. • Productos químicos: biolubricantes, biopinturas, biorecubrimientos, bio- resinas, bioadhesivos, etc. • Biomateriales: bioplásticos, biopolímeros, biocomposites, caucho, etc. • Compuestos bioquímicos (“biochemicals”): carbohidratos , polifenoles, ácidos carboxílicos, esteres y ácidos grasos, proteínas, etc. Tabla 2. Algunos ejemplos de biorefinerías en la UE Biorefinería Pöls (Austria) Lestrem (Francia) Caserta (Italia) Pischelsdorf (Austria) Biomasa Madera Trigo Patata Maíz Pera Biomasas lig- nocelulósicas Cereales Plataformas Pasta. Licor negro Almidón Azúcares C5- C6 Almidón Azúcares C5-C6 Productos finales Papel y pasta de papel. Tall oil Aceite de trementina Electricidad Calor Alimentos Piensos Acido succínico BioEtanol Acido levulíni- co Almidón Gluten Bioetanol CO2 Fuente: BioRefineries Blog
  3. 3. que es imprescindible garantizar una adecuada eco-eficiencia en la propia planta transformadora así como plante- amientos que integren toda la cadena de valor. BIOREFINERÍAS QUE INCORPORAN LA DIGESTIÓN ANAEROBIA EN SUS PROCESOS COMO TECNOLOGÍA AUXILIAR La presencia de la tecnología de di- gestión anaerobia en las biorefinerías que actualmente se encuentran en fun- cionamiento en la UE se limita a la valo- rización de corrientes residuales líqui- das y sólidas procedentes de los procesos de transformación de la bio- masa. Como se muestra en la tabla 3, dichas biorefinerías están especializa- das en la producción de biocombusti- bles líquidos, y sobre todo, de bioetanol. BIOREFINERÍAS BASADAS EN DIGESTIÓN ANAEROBIA COMO TECNOLOGÍA PRINCIPAL DE TRANSFORMACIÓN DE LA BIOMASA Existen miles de instalaciones en to- da la UE que transforman deyecciones ganaderas con cultivos como el maíz, o con diversos tipos de residuos orgáni- cos agroalimentarios. Estas plantas producen biogás, que a su vez es trans- formado en motores de co-generación en calor y electricidad, y digerido, apro- vechado como fertilizante. Aunque no se denominan “biorefinerías” se podría decir que estas plantas son biorefinerí- as simples. El reto consiste en evolucio- nar las plantas actuales hacia modelos más complejos optimizando los proce- sos de digestión anaerobia, desarro- llando nuevas plataformas y ampliando el número de productos finales. Plataforma de Ácidos Grasos Volátiles (AGVs) Los ácidos grasos volátiles o AGVs (acético, propiónico, butírico, ...) son compuestos intermedios de la digestión anaerobia que recuperados tienen valor como commodities químicas. Podemos producir una corriente líquida rica en AGVs a través de la optimización de las primeras dos fases de la digestión anae- robia, es decir, la hidrólisis y la acidifica- ción. El proceso de recuperación es cla- ve en la viabilidad de esta alternativa. Generalmente se aplica un proceso de filtración o centrifugación para la elimi- nación de partículas, y a continuación, cabe emplear diversas técnicas como por ejemplo: precipitación con reactivos químicos, destilación, adsorción, mem- branas de nanofiltración y ósmosis in- versa, electrodiálisis o extracción con di- solventes, entre otras. Bioplásticos Los ácidos grasos volátiles produci- dos en la digestión anaeróbica son substratos adecuados para la produc- ción de polihidroxialcanoatos (PHAs), es decir, bioplásticos. Hay muchas co- munidades microbianas presentes por ejemplo en lodos de depuradora que poseen la capacidad de transformar los AGVs en PHAs. Los PHAs forman grá- nulos dentro del citoplasma bacteriano (se van acumulando como reserva de carbono) y pueden ser extraídos para la producción de bioplásticos. El proceso de obtención de PHA a partir de cultivos mixtos se realiza en reactores aerobios y se basa en la acumulación de los PHA mediante dos etapas de proceso: etapa de enriquecimiento y etapa de EVOLUCIÓN DE LAS PLANTAS DE BIOGÁS HACIA EL MODELO DE BIOREFINERÍA 36 Especial BIOENERGÍA 2015RETEMA I www.retema.es I Tabla 3. Biorefinerías que incorporan la digestión anaerobia en sus procesos como tecnología auxiliar Biorefinería Schwedt (Alemania) Sarpsborg (Noruega) Greenmills Puerto de Amsterdam (Holanda) Zörbig (Alemania) Biomasa Centeno Cultivos o residuos lignocelulósicos Aceites usados y otros residuos orgánicos Centeno Triticale Trigo Plataformas Almidón Azúcares Azúcares C5-C6 Lignina Biogás Aceite Almidón Azúcares Productos finales Bioetanol Biogás Fertilizantes orgánicos Bioetanol Lignina Celulosa Vanilina Biogás Biodiesel Bioetanol Biogás Fertilizantes Bioetanol Biogás Fertilizantes Fuente: BioRefineries Blog
  4. 4. acumulación. La producción de polihi- droxialcanoatos a escala industrial utili- za sustratos puros como glucosa, fruc- tosa, sacarosa y ácido propiónico, así como cultivos puros que encarecen mu- cho el proceso. Por lo tanto, una mane- ra de reducir su coste de producción, es empleando fuentes de carbono más económicas como los residuos orgáni- cos típicamente valorizados mediante digestión anaerobia, y cultivos mixtos. Acidos Grasos de Cadena Media (AGCM) Los AGVs se pueden transformar en Acidos Grasos de Cadena Media para aprovechar que los ácidos con cadenas más largas tienen aplicaciones de ma- yor valor añadido que los AGVs, inclu- yendo biopinturas, bioplásticos y biolu- bricantes. Los AGCM son ácidos monocarboxílicos saturados lineales con 6-8 átomos de carbono a diferencia de los AGVs más cortos. Los AGCM se pueden obtener a partir de los ácidos grasos volátiles (AGV) en presencia de etanol y Clostridium kluyveri en un pro- ceso conocido como β-oxidación inver- sa o “elongación de cadena”. El ácido n-capróico es un AGCM que puede ser fácilmente convertido en bio- carburante líquido con elevada capaci- dad energética, lo que le confiere un al- to valor económico. Además, el ácido n-capróico también podría tener otros usos como para alimentación animal, antimicrobiano o como substrato para esterificación en alimentación humana. Bioalcoholes Los AGVs se pueden recuperar me- diante precipitación química y cristaliza- ción en forma de sales de carboxilatos. A partir de estas sales y mediante un pro- ceso termoquímico es posible producir biocombustibles líquidos (bioalcoholes) con un valor económico mucho mayor al del metano, y de ahí su creciente interés. EVOLUCIÓN DE LAS PLANTAS DE BIOGÁS HACIA EL MODELO DE BIOREFINERÍA 37Especial BIOENERGÍA 2015I www.retema.es I RETEMA
  5. 5. Plataforma de biogas El biogas es una mezcla de metano, CO2, y otros gases minoritarios. Tras procesos de depuración y enriqueci- miento mediante diveras técnicas (scrubbing, PSA, aminas, membranas, criogenización, etc.) podemos obtener biometano para uso como biocarburan- te en vehículos o para su inyección en redes de gas. Algunas de las técnicas de recuperación del metano del biogás permiten separar también el CO2 para distintos usos industriales como por ejemplo las plantas de producción de bebidas refrescantes o la producción de microalgas. El CO2 también puede reaccionar con biohidrógeno proceden- te de fuentes renovables (electrolisis del agua a partir de fotovoltaica o eóli- ca), y producir un volumen de biometa- no extra mediante procesos de catáli- sis química o biológica. Por último, el metano puede ser empleado como re- activo en procesos catalíticos que tie- nen por objeto la obtención de com- puestos bioquímicos como por ejemplo el metanol. Son muchos los productos que se preparan a partir de metanol co- mo materia prima, o que necesitan de este alcohol como disolvente de reac- ción. Otra alternativa es la producción der propionato de etilo, utilizable en procesos industriales. Todavía queda mucho que investigar en el campo de la química del metano para hacerlo más reactivo, y de modo económica- mente favorable. Plataforma de digerido Nutrientes Los digeridos procedentes de la di- gestión anaerobia son licores ricos en nutrientes, especialmente nitrógeno y fósforo, así como materia orgánica. La recuperación de nutrientes ya no es tan solo una cuestión de evitar contamina- ción medioambiental allá donde se ge- neren excedentes, también es una prio- ridad para conseguir una mayor eficiencia en el uso de los recursos en el marco de modelos de economía circu- lar. A través de técnicas de stripping y absorción se puede recuperar nitrógeno en forma de sulfato amónico procedente de la fracción líquida de los digeridos. También se puede recupera fósforo me- diante la precipitación de estruvita. Microalgas Las microalgas son microorganismos que en presencia de luz y CO2 pueden fijar nutrientes en forma de biomasa va- lorizable tanto para fines energéticos como para ingredientes o productos pa- ra biofertilizantes, acuicultura, ganade- ría, animales de compañía, etc. Se trata en definitiva de aprovechar el digerido líquido como medio de cultivo de bajo coste. Los biofertilizantes a base de mi- croalgas ya están siendo comercializa- dos y obteniendo buenos resultados económicos. INNOVACIÓN PARA EL DESARROLLO DE BIOREFINERÍAS. EL EJEMPLO DEL PROYECTO CLAMBER EN CASTILLA-LAMANCHA. Castilla-La Mancha está desarrollan- do actualmente el Proyecto “Castilla-La Mancha Bio-Economy Region” (Proyec- to CLAMBER), que sienta las bases pa- ra convertir a esta región en el referente del sur de Europa dentro de la investiga- ción relacionada con el aprovechamien- to de la biomasa, teniendo en cuenta que es un gran productor de la misma. Dispone de un presupuesto de 20 M€ aportados por el Ministerio de Economía y Competitividad y por la Junta de Co- munidades de Castilla-La Mancha y es- tá cofinanciado con Fondos FEDER. El proyecto consta de dos actuacio- nes diferentes pero complementarias. Por un lado, la construcción de un Cen- tro de Investigación, en el que se alber- gará una biorrefinería a escala planta piloto modular, versátil y con procesos innovadores donde las empresas que lo deseen puedan realizar sus experimen- tos a una escala más cercana a la reali- dad y donde el personal pueda formar- se con competencias adecuadas a los nuevos requerimientos de la industria de base biológica. Por otro, la realiza- ción de proyectos de I+D encaminados EVOLUCIÓN DE LAS PLANTAS DE BIOGÁS HACIA EL MODELO DE BIOREFINERÍA 38 Especial BIOENERGÍA 2015RETEMA I www.retema.es I
  6. 6. a la óptima selección de materias pri- mas, a la mejora o desarrollo de nuevos bioprocesos, al desarrollo de nuevos productos y a la investigación socioeco- nómica, nuevos modelos de negocio, logística y otros retos tecnológicos. AINIA Centro Tecnológico está desa- rrollando tres proyectos de I+D relacio- nados con tres tipos de biomasa: resi- duos ganaderos, lodos de EDAR y residuos vinícolas. Los proyectos tie- nen prevista su finalización en Diciem- bre de 2015. El modelo de biorefinería genérico Clamber-G a partir de un mix de deyecciones ganaderas. El modelo genérico de biorrefinería de deyecciones ganaderas desarrolla- do por AINIA en el marco del proyecto Clamber se aplica a un entorno rural con numerosas explotaciones ganade- ras de diversas especies animales (porcino, bovino, avícola,..), y rodeadas de explotaciones agrícolas. El modelo toma en consideración toda la cadena de valor, desde el aprovisionamiento de los residuos ganaderos hasta la dis- tribución de los bioproductos. En la planta de valorización, los residuos ga- naderos se podrían llegar a transfor- mar en biocombustibles: biogás, biohi- drógeno y/o biometano, y varios bioproductos: sales de carboxilatos, fertilizantes granulados o biomasa mi- croalgal para piensos. Partiendo de este modelo genérico de biorefinería, los resultados del pro- yecto determinarán cual es la versión más sostenible en el entorno de Casti- lla-La Mancha concretando tipo, canti- dad y proporción de residuos ganade- ros, procesos de biorefinado y bioproductos finales a obtener emplear. El modelo también se podría adaptar a otras regiones de España variando sus especificaciones como consecuencia de las diferencias del entorno y merca- do potencial de los bioproductos. Descripción del modelo genérico Clamber-G: Los Centros de Acondicionado y Transferencia (CATs) permitirán optimi- zar los costes de transporte para hacer más sostenible el proceso aprovisiona- miento del residuo ganadero. Cabe re- cordar que los residuos ganaderos tie- nen un elevado contenido en agua. Las CAT son unidades de almacenamiento temporal y/o acondicionado (filtración, concentración, control de calidad, ..) previo al transporte a la planta. En el proyecto Clamber-G incorpora una digestión anaerobia con separa- ción de fases orientada a la producción de AGVs o “carboxilatos”. La ventaja de este sistema es la no dependencia de inóculos y se basa en la experiencia previa de AINIA a través de proyectos como DianaH2 sobre digestión en 2 fa- ses o AD-WISE sobre control on-line de AGVs. La fases de la digestión se sepa- rarían en dos digestores diferentes. Así, la hidrólisis y acidogénesis ocurren en el primer digestor, y la metanogénesis (producción de metano) en el segundo. Una innovación destacada de la pro- puesta Clamber-G es la de utilizar par- te del caldo de fermentación del reactor hidrolítico (fase 1 de la digestión) para un proceso de downstream o recupera- ción de sales de carboxilato mediante reacción química, concentración y cris- talización de sales de carboxilatos. En la segunda fase de la digestión anaerobia se genera un digestato rico en nitrógeno y fósforo al que se le aplica un proceso de separación sólido-líqui- do. Con la fracción sólida se desea ob- EVOLUCIÓN DE LAS PLANTAS DE BIOGÁS HACIA EL MODELO DE BIOREFINERÍA
  7. 7. tener fertilizantes granulados mediante la tecnología spouted bed drying. Con la fracción líquida se adaptarán procesos de stripping y precipitación de estruvita para la recuperación de nutrientes que se emplearían para enriquecer la pro- ducción de fertilizantes granulados, para el cultivo de microalgas o para su venta como fertilizante. El objetivo es recupe- rar el 100% de los nutrientes. El biogás obtenido en la primera fase es un gas rico en biohidrógeno mientras que el gas del segundo reactor es simi- lar al biogas convencional. Las dos co- rrientes podrían ser valorizadas energé- ticamente juntas o por separado siendo un resultado del propio proyecto deter- minar lo más adecuado. El biogas rico en biohidrógeno obtenido en el primer biorreactor se podrá emplear mezclado con el biogás del segundo biorreactor, incrementando su valor energético, o por separado como combustible en pi- las de hidrógeno para producir calor y electricidad. El biogás obtenido en la segunda fase podría ser empleado de forma tradicional directamente para ob- tener calor y electricidad en un motor de co-generación. El calor se aprovecharía tanto en el calentamiento del digestor como en el postratamiento del digestato u obtención de sales de ácidos carboxí- licos. La electricidad producida podría ser auto-consumida o volcada a la red o micro-red eléctrica a la que esté conec- tada la biorrefinería Clumber. Como complemento o alternativa a la cogeneración de calor y electricidad se plantea un posible proceso de depura- ción de gases contaminantes y enrique- cimiento, obteniendo dos corrientes, por un lado biometano para uso en vehícu- los agrícolas (tractores, pequeños ca- miones, ..), o inyección en redes de gas, y por otra CO2 biogénico para múltiples usos como la bioproducción de microal- gas, reacción en procesos químicos de la biorrefinería, o para su licuado y uso como ingrediente en bebidas carbonata- das y otros usos alimentarios. Por último, se plantea integrar una etapa de bioproducción de microalgas en sistema abierto raceway con lámina fina, a partir de del digestato líquido pro- cedente del digestor secundario rico en nutrientes. También se consideraría el uso del CO2 residual de la línea de enri- quecimiento de biogás a biometano. La biomasa microalga obtenida se estabili- zara como producto suplementario en la formulación de piensos o para emplear- lo en la producción de biofertilizantes. EVOLUCIÓN DE LAS PLANTAS DE BIOGÁS HACIA EL MODELO DE BIOREFINERÍA 40 Especial BIOENERGÍA 2015RETEMA I www.retema.es I Figura 1. Modelo genérico de biorefinería Clamber-G para residuos ganaderos Figura 2. Diagrama de flujo biorrefinería genérica CLUMBER-G de residuos ganaderos

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