Una biorrefinería es una instalación que integra procesos y equipos de conversión de biomasa para producir combustibles, energía, calor y productos químicos de valor agregado a partir de la biomasa. El concepto de biorrefinería es análogo a la refinería petrolera actual, que produce múltiples combustibles y productos derivados del petróleo.
El principio de biorrefinería es similar al de una refinería de petróleo, donde el complejo compuesto de petróleo crudo se separa en fracciones o componentes individuales. Algunos de estos se convierten por medio de procesos químicos en otros compuestos que se pueden disolver mejor.
Las biorrefinerías están destinadas, entre otras cosas, a complementar y reemplazar el petróleo crudo como una materia prima importante en la industria química. Además, la variedad de diferentes compuestos químicos en la biomasa también podría crear nuevas aplicaciones. Otros factores importantes son el clima y los esfuerzos de protección del medio ambiente.
El concepto de biorrefinería con un uso holístico y de alta calidad de la biomasa todavía está en desarrollo. En los enfoques, este concepto ya está implementado, por ejemplo. Al igual que en la producción de azúcar, bioetanol y biodiesel, donde se está tratando de utilizar los subproductos o subproductos de alta calidad. También las plantas de biogás a veces se llaman biorrefinería.
La Bioenergía Tarea 42 de la Agencia Internacional de Energía sobre Biorrefinerías definió la biorrefinición como el procesamiento sostenible de biomasa en un espectro de productos de origen biológico (alimentos, piensos, productos químicos, materiales) y bioenergía (biocombustibles, energía y / o calor).
Al producir múltiples productos, una biorrefinería aprovecha los diversos componentes de la biomasa y sus intermedios, maximizando así el valor derivado de la materia prima de biomasa. Algunos investigadores han considerado la exploración de una biorrefinería como un método práctico para mejorar el rendimiento económico de la biomasa independiente al sistema de bioenergía desde que se producen los bioquímicos. Una biorrefinería podría, por ejemplo, producir uno o varios de bajo volumen, pero de alto valor. Productos químicos o nutracéuticos y un combustible líquido de transporte de alto valor pero de alto volumen, como el biodiesel o el bioetanol. Al mismo tiempo, genera electricidad y procesa calor, a través de la tecnología combinada de calor y energía (CHP), para su propio uso y tal vez lo suficiente para la venta de electricidad a la empresa de servicios públicos local. Los productos de alto valor aumentan la rentabilidad, el alto volumen de combustible ayuda a satisfacer las necesidades energéticas, y la producción de energía ayuda a reducir los costos de energía y reduce las emisiones de gases de efecto invernadero de las instalaciones de centrales eléctricas tradicionales. Aunque existen algunas instalaciones que pueden llamarse bio-refinerías, la bio-refinería aún no se ha realizado plenamente. Las futuras biorrefinerías pueden desempeñar un papel importante en la producción de productos químicos y materiales que se producen tradicionalmente a partir del petróleo.
Biomasa de materia prima
El concepto de biorrefinería depende esencialmente de la materia prima disponible. Sobre todo, se discuten los conceptos que incluyen madera, plantas de almidón y otras plantas frescas o ensiladas como base de materia prima.
La biomasa es muy compleja compuesta de muchos compuestos orgánicos diferentes en proporciones muy diferentes. Una gran proporción de los compuestos son compuestos que pertenecen a las grasas, carbohidratos o proteínas (proteínas). Además, hay muchos otros compuestos, pero por lo general ocurren en proporciones más bajas, tales como. B. Los metabolitos secundarios (o sustancias vegetales secundarias).
Dependiendo de la biomasa, estas proporciones varían. La madera, por ejemplo, tiene una composición claramente diferente en comparación con las plantas de almidón (por ejemplo, trigo, maíz), plantas oleaginosas (colza, pasto, soja) o residuos de plantas.
Conceptos de plantas
En una biorrefinería, se intentan aislar ciertos compuestos de alta calidad de la biomasa. Al hacerlo, la ventaja de la síntesis de la naturaleza se usa para reemplazar procesos costosos de fabricación artificial o para obtener compuestos complejos sintetizados no artificialmente.
Puede para fines farmacéuticos y como productos químicos básicos. Dado que usualmente constituyen solo una pequeña proporción, una gran parte de la biomasa se queda atrás. Esto puede a su vez z. Como alimento, alimento, o productos químicos de menor calidad se obtienen. Una vez que estas fracciones reciclables se han extraído de la biomasa, la fracción restante todavía se puede utilizar para fines energéticos. Puede generarse como energía y calor para la operación de la planta o para la venta, o se generan biocombustibles o combustibles sintéticos (BtL, metanol, biometano, etc.).
Además de la extracción de compuestos presentes en la biomasa, la producción de nuevos compuestos a partir de la materia prima es otro campo de actividad dentro de una biorrefinería. En este caso, se pueden utilizar procesos químicos, como la producción de combustibles sintéticos ya mencionada, pero en particular también los enfoques biotecnológicos para la producción de compuestos de mayor valor.
Los tres conceptos comunes de plantas discutidos llevan el nombre de la materia prima respectiva:
Tipología
A veces se distinguen varios tipos de biorrefinerías:
Dependiendo de la materia prima o su fuente (por ejemplo, residuos marinos, vegetales, animales, hongos o forestales, agrícolas, orgánicos, etc.),
Dependiendo de los procesos utilizados: biorefinerías verdes (compuestos mejoradores típicamente inestables de alta humedad), cereales, semillas oleaginosas, microalgas o macroalgas, materiales lignocelulósicos o plantas completas.
de acuerdo con los productos finales resultantes de la transformación, en particular al reunir en la misma categoría todas las biorrefinerías que producen un tipo de producto (gas de síntesis, por ejemplo).
Biorrefinería Lignocelulósica
Una biorrefinería lignocelulósica utiliza la materia prima de madera, que consiste en gran parte en lignocelulosa, una estructura de lignina y celulosa, y hemicelulosa. También biomasa compuesta similar, como paja y pasto, y desechos de la industria del papel, tales como. Como el incurrido en grandes cantidades puede utilizarse licor negro rico en lignina.
La lignina consiste principalmente en derivados del compuesto aromático fenol, que podría ser útil para la industria química. La celulosa es un polisacárido (azúcar polihídrica) del monómero glucosa (una hexosa). Esto puede conducir a varios productos químicos básicos, tales. Como etanol y eteno como material de partida para la producción de polietileno (PE) y cloruro de polivinilo (PVC) o con hidroximetilfurfural como material de partida para la producción de nailon, procesado adicionalmente. Además, la glucosa es un sustrato para los procesos de producción biotecnológicos por fermentación. La hemicelulosa es también un polisacárido, pero a partir de diferentes pentosas como monómero. Esto también puede ser un derivado de furfural particular que se procesa o de nylon y otros productos.
Biorrefinería de toda la planta.
Toda una biorrefinería de plantas utiliza el cultivo completo, como B. maíz, trigo, centeno, triticale, etc. Las plantas consisten esencialmente en el grano y la paja lignocellulosereichen, que por lo general ya están separadas en la cosecha con una cosechadora. La paja puede procesarse adicionalmente en una biorrefinería lignocelulósica o convertirse en gas de síntesis (gas de síntesis) mediante pirólisis. Esto forma la base para combustibles sintéticos como biomasa a líquido (BtL) o metanol. El grano consiste principalmente en el almidón de polímero de glucosa, que puede procesarse aún más de muchas maneras. Puedes z. B. se puede utilizar directamente como materia prima de la industria alimentaria o química. La producción de bioplásticos, tales. Como almidón termoplástico y su uso como sustrato de fermentación son posibles.
Biorrefinería verde
La biorrefinería verde utiliza material vegetal, como hierba, trébol, alfalfa o grano inmaduro (verde) de la agricultura. Una diferencia importante con los otros dos conceptos es que la planta fresca se usa, los ingredientes son diferentes de la madera o de las plantas en general. El primer paso del tratamiento es exprimir el jugo de la planta. La torta de prensa contiene principalmente fibras (celulosa), así como almidón, tintes y pigmentos. En el jugo de la prensa hay proteínas, aminoácidos, ácidos orgánicos, etc. Esto podría, por ejemplo. B. productos como ácido láctico, aminoácidos, etanol, etc. pueden ser aislados. La torta de prensa se puede utilizar como alimento, para la producción de gas de síntesis y biogás o para la extracción de compuestos químicos.
Procedimientos y Productos
En la biorrefinería, se necesita una variedad de procedimientos para preparar la materia prima, aislar ciertas fracciones y derivar conexiones adicionales con procesos químicos, químico-físicos y biotecnológicos:
Preparación z. Por:
prensa
Trituración por trituración, trituración, etc.
Separación y aislamiento por (ver también proceso de separación (ingeniería de procesos):
Tamizado y filtración
extracción
cromatografía
Etc.
Con estos métodos, se pueden obtener sustancias y compuestos ya presentes en la biomasa. Por cambio químico, la gama de productos todavía se puede ampliar significativamente:
Procesamiento con procesos químicos y químico-físicos:
Pirólisis para la producción de gas de síntesis.
Uso de gas de síntesis para la síntesis de nuevos compuestos, ej. B. BtL y otros hidrocarburos por síntesis de Fischer-Tropsch
Combustión para generar electricidad y calor.
Modificación química utilizando procesos biotecnológicos (ver también Biotecnología y Biotecnología Blanca):
Uso de la materia prima o de fracciones para fermentaciones, ej. B. para la producción de productos químicos básicos y finos, etanol, biogás, materias primas para la producción de bioplásticos, vitaminas, aminoácidos, etc.
Biocatálisis con enzimas aisladas para la modificación de ciertos compuestos, por ej. B. con amilasas para la escisión hidrolítica de almidón a glucosa
Ejemplos
La compañía totalmente operativa Blue Marble Energy tiene múltiples biorrefinerías ubicadas en Odessa, WA y Missoula, MT.
La primera biorrefinería integrada de Canadá, desarrollada en tecnología de digestión anaeróbica por Himark BioGas, se encuentra en Hairy Hill, Alberta. La biorrefinería utiliza productos orgánicos de origen separado de la región metropolitana de Edmonton, Open Pen Feedlot Estiércol y desechos de procesamiento de alimentos.
Se han propuesto varios ejemplos potenciales de biorrefinería, a partir de materias primas como el tabaco, la paja de lino y los residuos de la producción de bioetanol. También se ha propuesto que las biorrefinerías recopilen la mayor cantidad posible de materiales de los árboles (es decir, celulosa, hemicelulosa, lignina, lípidos).
La tecnología de Chemrec para la gasificación de licor negro y la producción de biocombustibles de segunda generación, como el biometanol o BioDME, se integra con una planta de celulosa hospedadora y utiliza un producto de desecho de proceso de sulfato o sulfito como materia prima.
En Austria, se abrió una biorrefinería verde en mayo de 2009 como instalación de demostración. Hay ensilaje de hierba que se deriva de los aminoácidos y el ácido láctico. Las fracciones fijas se utilizan energéticamente en una planta de biogás. Puede procesar 4 toneladas de ensilaje de hierba por hora o 100 litros de jugo prensado por hora. Se pueden obtener de 150 a 210 kg de ácido láctico y de 80 a 120 kg de proteína cruda (aminoácidos) por tonelada de materia seca de ensilaje. El objetivo es obtener información que apoye el diseño de plantas industriales.
En una de las agencias de Recursos Renovables e. V. proyecto coordinado se han desarrollado desde 2007 conceptos de proceso para biorrefinerías lignocelulósicas. En un proyecto de seguimiento, se establecerá una primera planta piloto en Leuna (Sajonia-Anhalt), que procesará 1,25 t de madera por día. A largo plazo, las plantas con capacidades de procesamiento de 400,000 t / a se consideran posibles.
La planta de Biowert funciona con un principio similar al de la Biorrefinería Verde. La materia prima es la hierba o el ensilaje de hierba. Esto se presiona y la fracción líquida en una planta de biogás, que también suministra energía de proceso o calor de proceso, se fermenta. La torta de prensa contiene una alta proporción de fibra a partir de la cual se producen materiales aislantes o aditivos fibrosos para el plástico (plástico reforzado con fibra natural).
Importancia para la salud
En todos los aceites vegetales refinados se encuentra el éster de ácido graso 3-MCPD, en el que los contenidos difieren ampliamente en parte. 3-MCPD fue clasificado como un «carcinógeno humano candidato» en 2011 por la Agencia Internacional para la Investigación del Cáncer (IARC).
Perspectiva
Según un estudio de mercado realizado por Festel en 2001, la proporción de productos químicos fabricados biotecnológicamente con 30 mil millones de dólares estadounidenses fue aproximadamente el 2,5% del mercado total. Para 2010, se predijo un aumento de aproximadamente el 20% (310 mil millones de dólares estadounidenses con una facturación total de 1600 mil millones de dólares estadounidenses). En 2007, la participación fue de US $ 48 mil millones, que fue de 3.5%. En 2010, la proporción de medicamentos producidos biotecnológicamente fue del 17%.
El desarrollo de la biorrefinería ha sido intensamente promovido en los Estados Unidos en los últimos años. Se invirtieron aproximadamente $ 360 millones en la producción de biomasa cada año (2003: aproximadamente $ 420 millones, 2005: aproximadamente $ 310 millones). Allí, los expertos esperan que para 2020 una cuarta parte de los materiales orgánicos actuales basados en fósiles y el 10% de los aceites y combustibles se produzcan utilizando tecnologías de biorrefinería.
En la UE, se han invertido un total de 74 millones de euros en investigación sobre el uso de la biomasa en el marco del Sexto Programa Marco de Investigación desde mediados de 2002 hasta 2006. En el Séptimo Programa Marco de Investigación (2007-2013), el presupuesto anual total ha ha aumentado en un 40%, por lo que también se espera un aumento en la investigación de la utilización de la biomasa.