Bio aceite a partir de biomasa y sus apliaciones en otros sectores

Mahbod Shafei, experto iraní en conversión de biomasa, ha escrito un artículo sobre las distintas aplicaciones del bio aceite procedente de la biomasa en sectores como la agricultura, la filtración de agua, la industria de productos químicos puros y biocombustibles.

Bio aceite de gran valor procedente de biomasa y sus aplicaciones en agricultura, filtración de agua, la industria de productos químicos puros y biocombustibles.

En los últimos años se han escrito numerosos artículos en revistas científicas sobre las energías renovables. Una de las energías renovables más conocidas es la biomasa, que se ha ganado un puesto en el ranking de energías alternativas a los combustibles fósiles.

La biomasa no solo se utiliza comercialmente como fuente de energía, sino que también muchos productos tienen una base de biomasa, como productos agrícolas, resinas químicas, adhesivos, productos químicos puros, agua, filtros de aire, enmienda de suelos y productos cosméticos. Numerosos científicos han llevado a cabo experimentos para mejorar la calidad y el rendimiento de los productos de biomasa desde 2010. Han conseguido resultados impresionantes que prometen un buen uso de la biomasa en la agricultura y la industria química en lugar de materiales fósiles, lo que ha motivado a los gobiernos a invertir en este campo.

Este artículo trata de mostrar las tecnologías de conversión termoquímica, sobre todo las más recientes e innovadoras, como la pirólisis. La pirólisis produce bio aceite y biochar que se pueden emplear en los sectores químico y agrícola. Algunos de sus beneficios son la reducción de riesgos medioambientales, costes de transporte y un aumento de la eficiencia económica. La pirólisis ha recabado la atención de científicos y de la industria en los últimos años para la generación de varios productos, aunque creen necesario llevar a cabo esfuerzos de I+D para la conversión de la biomasa.

Pirólisis

La pirólisis es la descomposición térmica de materiales orgánicos en ausencia o casi sin oxígeno, también conocida como destilación y es el proceso principal para la producción de bio aceite a partir de residuos. La pirólisis persigue maximizar el rendimiento del producto líquido a partir de biomasa sólida. Es una posible candidata para la producción de bio aceite, un líquido basado en carbono. La pirólisis es la segunda fase de gasificación tras el secado, y le sigue la gasificación. La pirólisis de biomasa depende de muchas variables diferentes relacionadas con la biomasa. El contenido de humedad tiene un gran impacto en la pirólisis. Varias fuentes sostienen que el contenido de humedad de la biomasa debería ser de un 10% y el tamaño de las partículas debería entre 2 mm a 20 mm para tener suficientes reacciones en el reactor.

Si dividimos la pirólisis de biomasa en cuatro grupos distintos, tenemos la pirólisis instantánea, rápida, leve y lenta. En estas condiciones, la biomasa no combustiona aunque los principales componentes como la celulosa, hemicelulosa y lignina se descomponen hacia una fase sólida conocida como biochar, una fase líquida denominada bio aceite y productos gaseosos.

El biochar es el carbono poroso que queda tras la fracción de hidrógeno y oxígeno. Este posee otros componentes como las fracciones de mineral, alcalina e hidrocarburos. Por eso se utiliza como combustible, enmienda de suelos, fertilizante o para la filtración de aire o agua. El biochar es el principal producto de la pirólisis leve y lenta, con el horno a baja temperatura y alto tiempo de permanencia en muchos países como la forma tradicional de hacer carbón. Según unos experimentos, el biochar producido mediante pirólisis tiene un ratio muy bajo de O/C y H/C, entre 0,1 y 0,3 respectivamente. La distribución de biochar en la pirólisis varía generalmente entre el 12% y el 35%, según las condiciones y el tipo de pirólisis. Tras la pirólisis, el alquitrán (en la fase de vapor) tiene la mayor fracción de masa de los productos resultantes.

Unos análisis elementales muestran que la composición del bio aceite es bastante parecida a la de los combustibles. Sin embargo, el bio aceite es ácido y, para su uso, requiere cambios específicos en la maquinaria. Por ejemplo, el almacenamiento y la maquinaria deben ser de acero inoxidable o fibra de vidrio. La distribución de bio aceite en la pirólisis varía normalmente entre un 30% y un 75%, dependiendo de las condiciones y el tipo de pirólisis. La proporción de productos depende de varios factores, como la composición y tamaño de la biomasa y las condiciones del proceso, como la tasa de transferencia de calor, la temperatura del horno y el tiempo de permanencia.

Al aumentar la temperatura del horno, la tasa de transferencia de calor podría incrementarse y, con un poco tiempo de permanencia, el producto dominante es bio aceite (se convierte en vapor a temperatura de pirólisis y en líquido a temperatura ambiente). Sin embargo, una tasa de calentamiento elevada y la temperatura del reactor aceleran la formación de bio aceite. A unos 150º C y 190º C, la descomposición de la pirólisis incluye una reducción de peso molecular, eliminación de agua, la formación de monóxido y dióxido de carbono y finalmente biochar a partir de lignina. A temperaturas por debajo de 300º C, el producto varía con el tiempo de permanencia, que es torrefacción con un 82% del producto principal, y tiene un valor calorífico mayor en comparación con la biomasa. La pirólisis de celulosa a temperaturas mayores de 300º C y, por tanto, con mayores tasas de transferencia de calor, y un tiempo de permanencia menor a un minuto (solo unos segundos), contiene varias reacciones complejas a una gran cantidad de bio aceite.

La pirólisis rápida opera en un rango de temperaturas entre los 600º C y los 1000º C, con una velocidad de calentamiento muy alta por encima de los 1000º C por segundo, pero el tiempo de permanencia es menor a 0,5 segundos. La pirólisis instantánea opera a unos 500º C con una velocidad de calentamiento de más de 1º C por segundo y un tiempo de permanencia de menos de 2 segundos. Ambas tienen la misma distribución de producto, pero debido al corto periodo de permanencia de la pirólisis rápida, los vapores condensables de alta calidad que se producen se podrían usar para la producción de alcohol o gasolina. 

El bio aceite es el producto principal de la pirólisis instantánea y rápida, entre el 50% y el 70% del peso de la biomasa. Las condiciones de reacción ideales para conseguir una gran cantidad de líquidos se dan a temperaturas de aproximadamente 900º C, utilizando una velocidad de calentamiento

Tabla 1) Los modos de pirólisis se han clasificado por temperatura, tiempo de permanencia y tasa de transferencia de calor [1, 2, 3 y 4]

Aplicaciones de productos de pirólisis

1. Resinas

Como se ha mencionado anteriormente, los productos de la conversión de biomasa se pueden utilizar como fuente de energía. Este artículo pretende mostrar otras aplicaciones recientes e innovadoras de productos derivados de la biomasa que reduzcan riesgos medioambientales y supongan un beneficio para la economía de una región. El bio aceite posee varios organismos de oxígeno e hidrógeno, lo que causa inestabilidad y una tendencia a la polimerización.

Sin embargo, hay una gran cantidad de químicos con grupos de oxígeno generados a partir de fuentes fósiles. El bio aceite se puede utilizar de forma económica para producir químicos de valor añadido. Varios experimentos han puesto de manifiesto que el bio aceite contiene numerosos componentes de valor como los fenoles, aldehído y furano que tienen potencial para ser utilizados en productos químicos como la resina resorcinol formaldehído (RF).

La resina RF es un adhesivo en materiales estructurales de madera que se pueden establecer a temperatura ambiente. Un estudio muestra que la resina adhesiva RF procedente del bio aceite exhibe la mayor resistencia a la tracción y a la flexión. Algunos estudios han demostrado que las propiedades adhesivas del bio aceite derivadas de astillas de madera y residuos de papel podrían unir dos placas de aluminio con una alta resistencia a la tracción. Además, una investigación dice que el propio bio aceite tiene propiedades adhesivas y una alta resistencia a la tracción al unir dos placas de aluminio de entre aproximadamente 2520 N (bio aceite procedente de astillas de madera de abeto) y 2300 N (aceite de residuos de papel) [5].

2. Fertilizantes

El bio aceite se utiliza en diversos experimentos para sustituir parte del fenol en resinas PF o para producir resinas de urea formaldehído (UF) en la industria maderera. Además, el bio aceite se utilizaba para generar una reacción con epoxy para la unión de maderas con 50 wt%, al mismo tiempo que cumple con requisitos de uso. La pirólisis de bio aceite se ha empleado con éxito para compuestos de resinas de fibra de vidrio (GF). Actualmente, el desarrollo de adhesivos de madera que utilicen fuentes de biomasa es un objetivo importante en la industria maderera. Algunos estudios han descubierto que el bio aceite resultante de la pirólisis rápida puede utilizarse para el acondicionamiento de suelos.

La innovación reside en el hecho de que el bio aceite reacciona rápidamente con amoniaco, urea y compuestos relacionados con nitrógeno orgánico. Estos compuestos se polimerizan y solidifican con calor para crear productos estables. Los compuestos reciben el nombre de fertilizantes de liberación lenta. Estos fertilizantes orgánicos de alta calidad evitan la contaminación de aguas subterráneas, cuyo efecto podría ser muy positivo si su uso y producción se extiende en el campo de la agricultura [6].

3. Filtración

Garantizar el acceso de todas las comunidades a agua potable es un problema crucial en muchos países. La contaminación, incluyendo pesticidas, farmacéuticos y combustibles, es un problema cada vez mayor, ya que estos químicos pueden causar cáncer. Los filtros de subproductos carbonizados funcionan con el proceso de adsorción. En el caso del agua, los contaminantes del tratamiento se disipan en los poros del subproducto, enlazándose en la superficie del subproducto. La gran porosidad y extensa superficie de los biochars permiten que haya reacciones para los compuestos disueltos y para los contaminantes peligrosos. Además, para evitar la obstrucción de los poros del subproducto, la piscina de arena elimina una gran parte de la materia orgánica del agua. Los filtros de biochar son diferentes del carbono activo. La mayoría de los filtros activos comerciales están hechos a partir de no renovables, mientras que el biochar procede de la biomasa. Los filtros de biochar no están activados y puede que no tengan las mismas capacidades que los comerciales, por lo que el diseño de filtro utiliza en ocasiones grandes cantidades de biochar.

Estudios recientes muestran Betulin extraído de la pirólisis rápida de corteza de abedul a un coste y toxicidad menor. Estos estudios pretendían producir carbono activado de materiales procedentes de biomasa. Consiguieron buenos resultados con el biochar, un producto derivado de Betulin procedente de corteza de abedul, que utilizaba vapor o dióxido de carbono como agente activador [7].

4. Recuperación de suelos

El biochar es un material de carbono enriquecido que puede utilizarse como enmienda de suelos para absorber carbono y aumentar la calidad física del suelo, como la estructura o la porosidad. También mejora la retención de agua y la calidad microbiana. Por lo tanto, el uso sostenible del biochar es una práctica innovadora y beneficiosa para la agricultura sostenible.

La producción de biochar a partir de biomasa aumenta la enmienda de suelos. Imagen: ecofriend.com

En la actualidad, la agricultura tiene dos barreras, la inclusión de contenido bajo en nutrientes y la mineralización acelerada de la materia orgánica del suelo. Los experimentos de campo indican que el biochar es mucho más efectivo que otros tipo de materia orgánica para poner nutrientes a disposición de las plantas y es una fuente de nutrientes más estable que el estiércol. Además, su estructura porosa es perfecta para albergar las bacterias que las plantas necesitan absorber del suelo. Varias investigaciones han demostrado el efecto del biochar en el rendimiento de los cultivos. La mayoría de los estudios indican que la incorporación de biochar aumenta el rendimiento.

Por tanto, la aplicación de biochar ha aumentado año a año desde 2010 sin haber registrado resultados negativos. Además, se han llevado a cabo varios experimentos en la evacuación de compuestos orgánicos de biochar. La adsorción de iones de amoniaco y fosfato (NH4+ y PO43-) por el biochar se ha conseguido mediante el uso del método de equilibrio con lotes. Los resultados muestran que las astillas y los gránulos de madera empiezan la pirólisis a 450º C y 750º C respectivamente, y ambas eliminan NH4+ y PO43-. Además la capacidad del biochar para PO43- es más alta que la del carbono activado.

Al final, resulta bastante convincente que la biomasa es aplicable no solo en el sector energético sino también en agricultura o en la industria química, ya que es factible y más respetuoso con el medio ambiente que otros materiales fósiles. Por tanto, universidades, instituciones y empresas deberían abrir más áreas al estudio práctico para el I+D de este campo.

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Referencias:

[1] A.K. Hossain, P.A. Davies. Pyrolysis liquids and gases as alternative fuels in internal combustion engines. Sustainable Environment Research Group, School of Engineering and Applied Science, Aston University, Birmingham, UK

[2] W.T. Tsai, M.K. Lee b, Y.M. Chang. Fast pyrolysis of rice husk: Product yields and compositions. Department of Environmental Engineering and Science, Chia Nan University of Pharmacy and Science, Taiwan

[3] Dr. SamySadaka, P.E., P.Eng. Pyrolysis, Adjunct Assistant Professor, Department of Agricultural and Biosystems Engineering Iowa State University Nevada

[4] IEA Bioenergy, pyrolysis principal.www.pyne.co.uk.

[5] Xueyong Ren, Hongzhen Cai, Hongshuang Du, and Jianmin Chang. The preparation and characterization of pyrolysis Bio-oil resorcinol aldehyde resin cold set adhesives for wood construction. MOE Key Laboratory of Wooden Material science and application, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China.

[6] A.R. Fernandez-Akarregi, J. Makibar1, F. Cueva1, J. Branas, P. del Campo, J.Piskorz, J. Miranda-Apodaca, A. Robredo, U. Pérez-López, M. Lacuesta, A. Muñoz-Rueda, A.Mena-Petite. High quality fertilizers based on biomass pyrolysis bio-oil and char. Arabako Parke Teknologikoa, E-01510 Minao, Araba, Spain

[7] Diana C. Cruz Ceballos. Production of bio-coal and activated carbon from biomass. The School of Graduate and Postdoctoral Studies The University of Western Ontario London, Ontario, Canada.

[8] Wei Zheng *; B.K. Sharma; Nandakishore Rajagopalan. Using Biochar as a Soil Amendment for Sustainable agriculture. Illinois Sustainable Technology Center University of Illinois Urbana-Champaign.