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Ciudad Real, Diciembre 2003
II Ciclo de Conferencias sobre Tecnología
Agraria EUITA
Procesos de transformación de la biomasa
Magín Lapuerta AMMT-ETSII-UCLM
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INTRODUCCION

• Características poco adecuadas para su
  aprovechamiento directo
• Solución Transformación de propiedades
  físico-químicas
• Objetivo Adaptación a instalaciones de
  aprovechamiento energético
• Clasificación
• Procesos termoquímicos
• Procesos químicos o bioquímicos
• Procesos biológicos
• Procesos físicos

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PROCESOS DE TRANSFORMACION

• Químicos o
• bioquímicos

• Físicos

• Termoquímicos

• Biológicos

Transesterificación
Triturado
Combustión
Digestión anaerobia
Fermentación alcohólica
Prensado
Gasificación

• Compostaje

Fab. Éteres
Densificación peletizado o briquetado

• Pirólisis

Reformado catalítico
Secado
Descomposición catalítica
Mezclado o emulsificación
Fischer-Tropsch
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PROCESOS TERMOQUIMICOS

• Modificación de las características químicas de
  la biomasa
• Procedimiento Provocar inicio o elevar
  temperatura
• Parámetro diferenciador grado de oxidación
• Objetivos
• Obtención directa de energía térmica o
  termomecánica
• Conseguir combustibles de mejores características
  para una posterior combustión
• Líquidos
• Gases

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PROCESOS TERMOQUIMICOS

• Combustión
• Oxidación completa de la biomasa
• Oxidante aire, en cantidad superior a la
  estequimétrica
• Consecuencia liberación de calor y generación
  de productos combustión
• Biomasa Aire Calor N2 CO2 H2O O2
  (exceso) Inquemados Cenizas
• Objetivo Utilización del calor
• Aplicaciones térmicas calefacción, procesos
  industriales
• Conversión termo-mecánico-eléctrica energía
  eléctrica
• Procedimiento más habitual
• Calderas u hornos de parrilla o lecho fluido

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COMBUSTION
Enemansa (Villarta de San Juan)
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PROCESOS TERMOQUIMICOS

• Gasificación
• Oxidación parcial de la biomasa
• Agente gasificante aire (ocasionalmente
  enriquecido) y vapor, con contenido en oxígeno
  subestequimétrico
• Consecuencia calor ( ó -) y productos de
  gasificación
• Biomasa Agente Calor ( ó -) N2 H2O CO
  H2 CH4 Partículas (alcalinas o carbonosas)
  Alquitranes Cenizas (volantes o escorias)
• Carácter Exotérmico o endotérmico en función de
  tamaño y composición del agente.
• Objetivo generación de un gas combustible, para
• Generación térmica quemador
• Generación mecánica (bombeo, transporte?) MCIA
• Generación eléctrica MCIA o TG
• Procedimientos más habituales (dep. tamaño del
  grano)
• Hogares de parrila (contracorriente o
  equicorriente)
• Lecho fluido
• Lecho circulante

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GASIFICACION
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PROCESOS TERMOQUIMICOS

• Pirólisis
• Degradación térmica en ausencia de oxígeno (o en
  proporción muy baja)
• Controlante perfil de temperatura (hasta 500ºC)
• Consecuencia productos de pirólisis
• Biomasa Calor Gas Bio-óleo (líquido)
  Residuo (sólido)
• Carácter endotérmico
• Objetivo generación de bio-óleo ( gas
  combustible), para
• Generación térmica calderas
• Generación eléctrica MCIA
• Necesidad de post-tratamientos (inestable,
  corrosivo, aglomerante)
• filtrado
• emulsionado
• diluído

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PROCESOS QUIMICOS O BIOQUIMICOS

• Modificación de las características químicas de
  la biomasa (natural, prensada o químicamente
  procesada)
• Procedimiento Reacción química con otro
  reactivo catalizador
• Parámetros diferenciadores
• tipo de biomasa
• tipo de reactivo (biológico proceso bioquímico)
• tipo de reacción
• cinética de la reacción (catalizador)
• Objetivos
• Obtención de combustible de mejores
  características para una posterior combustión
• Líquidos
• Gases

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PROCESOS QUIMICOS O BIOQUIMICOS

• Transesterificación
• Materia prima Aceite procedente del prensado de
  semillas oleaginosas
• Reactivo Alcohol (metanol) o bioalcohol
  (etanol)
• Reacción
• Aceite Alcohol Ester Glicerina
• Catalizador básicos (NaOH, KOH), ácidos o
  biológicos
• Objetivos Ester
• Sustitución parcial o total de gasóleos
  (propiedades similares o mejores)
• Aplicación motores Diesel
• Transporte
• Generación eléctrica
• Coproducto Glicerina (farmacia, cosmética,
  química)

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TRANSESTERIFICACION
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PROCESOS QUIMICOS O BIOQUIMICOS

• Fermentación alcohólica
• Materia prima
• Mosto procedente de prensado de materia azucarada
• Mosto procedente de conversión encimática del
  almidón de materia amilácea
• Materia celulósica (proceso en desarrollo)
• Reactivo Levadura
• Reacciones
• Hidrólisis del almidón 2 C6H10O5 (Almidón)
  H2O C12H22O11 (Sacarosa, ...)
• Sacarificación C12H22O11 H2O
  2 C6H12O6 (Glucosa, Fructosa, ...)
• Fermentación C6H12O6 Lev. 2
  C2H5OH (Etanol) CO2
• Postratamiento Destilación
• Objetivos Etanol
• Sustitución parcial de gasolinas (propiedades
  similares o mejores)
• Fabricación de éteres (componentes
  antidetonantes)
• Aplicación motores de encendido por chispa (y
  mezclas diesel) Transporte

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FERMENTACION ALCOHOLOICA
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PROCESOS QUIMICOS O BIOQUIMICOS

• Fabricación de éteres
• Materia prima Bioetanol
• Reactivo iso-olefinas (principalmente
  isobuteno)
• Reacciones
• C2H5OH (Etanol) (CH3)2-CCH2 (i-buteno)
  (CH3)3-C-O-CH2-CH3 (ETBE)
• C2H5OH (Etanol) CH3-C2H5-CCH2 (i-penteno)
  (CH3)3-C-O-CH2-CH3 (TAEE)
• Condiciones 10 bar, 250ºC y catalizadores
  metálicos
• Objetivo Eteres (origen biológico solo en un 45
  en peso)
• Sustitución parcial de gasolinas y aditivos
  antidetonantes
• Aplicación motores de encendido por chispa
  Transporte

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PROCESOS QUIMICOS O BIOQUIMICOS

• Reformado catalítico
• Materia prima Biomasa sometida a proceso
  previo termoquímico o bioquímico
• Condiciones medio catalítico
• Reacciones
• Con vapor (SR) Biocombustible (l ó g) vapor
  (420-430ºC) Ni CO H2 (end.)
• Con aire (POX) Bioc (l ó g) aire (subesteq.)
  Cat. CO H2 N2 (exot.)
• Con aire y vapor (ATR) Bioc vapor aire
  (subesteq.) Cat. CO H2 N2 (ad.)
• Preprocesados (para evitar envenenamiento de
  catalizadores)
• Hidrodesulfuración (con Ni/Mo o Co/Mo a 360ºC,
  30 atm)
• Postprocesados (para aumentar contenido en H2)
• Hidratación a 380ºC CO H2O CO2 H2
• Objetivo H2 para combustión directa o para
  pilas de combustible
• Aplicaciones Transporte
• Reformador en estación de servicio
• Reformador a bordo

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REFORMADO CATALITICO
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PROCESOS QUIMICOS O BIOQUIMICOS

• Descomposición térmica catalítica
• Materia prima Biomasa sometida a proceso
  previo termoquímico o bioquímico
• Condiciones ausencia de oxígeno, medio
  catalítico
• Reacción
• Biocombustible (l ó g) Cat. (Ni, Fe)
  (600-900ºC) C H2
• Objetivo H2 para combustión directa o para pilas
  de combustible

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PROCESOS QUIMICOS O BIOQUIMICOS

• Fischer-Tropsch
• Materia prima Biomasa sometida a gasificación
  o reformado catalítico (SR)
• Condiciones medio catalítico y alta presión
• Reacción
• Gas (g) Cat. (Co, Fe) (180-400ºC, 20 bar)
  Combustible parafínico lineal (l)
• Objetivo Conversión de gas a líquido (gasolina,
  gasoil y keroseno), sin aromáticos ni azufre
• Aplicaciones transporte
• Motores diesel
• Motores de encendido por chispa
• Turbinas de gas

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PROCESOS BIOLOGICOS

• Modificación de las características
  fisico-químicas de biomasa residual
• Procedimiento Reacción química con agentes
  biológicos
• Parámetros diferenciadores
• tipo de biomasa
• condiciones de aireación, humedad y temperatura
• Objetivos
• Obtención de combustible gaseoso o de abonos

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PROCESOS BIOLOGICOS

• Digestión anaerobia
• Materia prima Biomasa húmeda (residuos
  urbanos, industriales, agrícolas o ganaderos)
• Condiciones ausencia de oxígeno, entre 10 y
  70ºC, y medio bacteriano
• Fases
• Hidrólisis Lípidos Proteínas Carbohidratos
  H2O ácidos grasos aminoácidos azúcares
• Acidogénesis ácidos grasos bacterias
  acidogénicas ácidos volátiles CO2 H2
• Acetogénesis ácidos grasos volátiles
  bacterias acetogénicas Acetato
• Metanogénesis CO2 H2 acetato bacterias
  metanogénicas Metano
• Cinética
• Estiercol vacuno o porcino 115 días
• Paja 80 a 120 días
• Hierba 25 días
• Objetivo Gas rico en Metano (50-70) CO2
  (35-40) H2 (1-3)
• Postratamiento Enriquecimiento por absorción de
  CO2
• Aplicaciones (quemadores, MCIA) Industria
  agroalimentaria, explotaciones ganaderas, plantas
  depuradoras de aguas residuales

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DIGESTION ANAEROBIA
Garraf (Barcelona)
Sagunto (Valencia)
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PROCESOS BIOLOGICOS

• Compostaje (fermentación maduración aerobias)
• Materia prima
• Biomasa sólida residual (paja, basuras, madera,
  lodos, residuos agroalimentarios)
• Sólidos deshidratados procedentes de la
  digestión anaerobia
• Condiciones aireación a temperatura y humedad
  controladas
• Fases
• Termófila Descomposición o fermentación
  destruye bacterias patógenas
• Fermentación natural (lenta 8 semanas).
  Sistemas abiertos
• Fermentación forzada (rápida 2-3 semanas).
  Sistemas cerrados (túneles)
• Mesófila maduración actividad bacteriana no
  patógena. Sist. abierto. 7 semanas
• Estabilización
• Homogeneización
• Aplicación Abono para agricultura intensiva de
  invernadero

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PROCESOS FISICOS

• Modificación de las características físicas de
  la biomasa
• Objetivos
• Mejorar las condiciones de transporte y
  almacenamiento
• Hacer posible o más eficaz su aprovechamiento
  energético directo
• Mejorar la eficacia de posteriores procesos
  químicos o termoquímicos
• Parámetros diferenciadores
• Tipo de biomasa (sólida o líquida)
• Tipo de maquinaria de aplicación
• Características a mejorar
• Granulometría
• Densidad
• Viscosidad

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PROCESOS FISICOS

• Triturado
• Materia prima biomasa sólida
• Objetivo
• disminuir el tamaño del grano (trituradora,
  molino)
• homogeneizar la biomasa (tamiz)
• Beneficios
• evita dispersiones de funcionamiento
• permite alimentación por inyección
• aumenta la relación superficie/volumen, y por
  tanto la reactividad en reacciones superficiales

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PROCESOS FISICOS

• Prensado
• Materia prima biomasa sólida oleaginosa,
  amilácea o azucarada
• Objetivo
• Extraer contenido de líquidos aceite, almidón,
  mosto
• Consecuencia
• Mayor capacidad de almacenamiento energético
• Mejor eficiencia de los procesos de
  transformación química

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PROCESOS FISICOS

• Densificación (peletizado, briquetado)
• Materia prima biomasa sólida
• Beneficios
• Revalorización y eliminación de residuos
• Abaratamiento de transporte y almacenamiento
• Densificación
• Manejabilidad
• Friabilidad se desmenuza fácilmente
• Peletizado
• Materia prima biomasa lignocelulósica residual
  (papel, astillas, serrín, restos de tableros,
  carbón vegetal, pieles)
• Pélet pastillas de pequeño tamaño
• Aplicaciones chimeneas caseras, estufas,
  calderas residenciales e industriales
• Briquetado
• Materia prima biomasa lignocelulósica residual
  (tallos, cortezas, cartones, contrachapados,
  algodón, paja, carbón vegetal, podas, RSU)
• Briquetas cilindros o paralelepípedos de mayor
  tamaño (ladrillos)
• Aplicaciones chimeneas caseras, calderas
  residenciales, fabricación de pélets

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PELETIZADO
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PROCESOS FISICOS

• Secado
• Materia prima
• 1. Biomasa sólida húmeda
• 2. Biocombustibles en disolución acuosa
• Objetivos
• Disminuir el contenido en agua (secadero,
  centrifugadora) (1)
• Separar componentes (destilador) (2)
• Beneficios (1)
• Abaratar transporte
• Evitar autocombustión en almacenamiento
• Mejorar eficiencia de procesos termoquímicos
  (combustión, gasificación)
• Beneficios (2)
• Mejorar eficiencia en combustión
• Evitar desetabilización de mezclas alcohol /
  gasolina
• Evitar corrosión en máquinas

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PROCESOS FISICOS

• Mezclado o emulsificación
• Materia prima Combustible líquidos o
  combustible líquido y agua
• Mezclado líquidos miscibles
• Objeto Diluir combustible de peor calidad sin
  gran perjuicio de propiedades
• Emulsificación líquidos inmiscibles
• Objeto
• Homogeneizar mezcla
• Mejorar propiedades físicas (viscosidad) o
  termodinámicas (Cp)
• Procedimiento Generación de ultrasonidos en
  presencia de emulgente

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II Ciclo de Conferencias sobre Tecnología
Agraria EUITA
Ciudad Real, Diciembre 2003
FIN
Procesos de transformación de la biomasa
Magín Lapuerta AMMT-ETSII-UCLM