BIORREFINERIAS

 

Ante el futuro agotamiento de los recursos fósiles y la necesidad de mitigar el cambio climático, las biorrefinerías emergen como un elemento vital de la bioeconomía circular. En este blog veremos que es una biorrefinería, como se clasifican, su viabilidad y el estado actual de la tecnología, proporcionando una visión básica para profesionales de la ingeniería.

El Concepto de Biorrefineria

Según el grupo de Bioenergía de la Agencia Internacional de Energía (IEA) y su grupo de tarea 42, una biorrefinería se define como una instalación en la que ocurre el procesamiento sostenible de biomasa en un espectro de productos comercializables (alimentos, materiales y productos químicos) y energía (combustibles, electricidad y calor).

Otros propósitos que también cumplen es reducir las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) mediante el uso de carbono neutro capturado durante la fotosíntesis y disminuir la dependencia de las importaciones de combustibles fósiles y estimular el desarrollo rural y regional mediante el aprovechamiento de recursos locales.

Como comparación con una refinería petrolera, si esta utiliza la destilación fraccionada para separar hidrocarburos, la biorrefinería utiliza una combinación de procesos químicos, físicos, biotecnológicos y térmicos para descomponer la biomasa en componentes sencillos y reconstruirlos como moléculas de alto valor. Esta combinación de procesos depende principalmente del tipo de biomasa y la tecnología usada y puede ser muy compleja. 

La biorrefinería mas sencilla sería una instalación en la que se procese maíz y que a través de procesos de molienda y fermentación produzca etanol y su residuo se use como alimento animal.

Clasificación de las Biorrefinerías

La clasificación de estos sistemas industriales es compleja debido a la gran diversidad de materias primas y tecnologías. Se utilizan principalmente tres criterios:

Por Generación de Materia Prima

• Primera Generación (1G): es la que utiliza cultivos alimenticios (azúcar, almidón, aceites vegetales). Aunque su tecnología es madura, enfrenta críticas por la competencia con la seguridad alimentaria.
• Segunda Generación (2G): es la basada en biomasa lignocelulósica, residuos agrícolas (bagazo, paja), forestales y residuos sólidos urbanos. Son el foco principal de investigación actual por no competir directamente con los alimentos.
• Tercera Generación (3G): emplea biomasa acuática, principalmente microalgas y algas marinas. Se destacan por su alta tasa de crecimiento y fijación de CO2, aunque su procesamiento es costoso debido al manejo de grandes volúmenes de agua.
• Cuarta Generación (4G): es la que usa microorganismos o plantas genéticamente modificadas para optimizar la captura de carbono y la producción de compuestos específicos, integrando tecnologías de captura y almacenamiento de carbono (CCS).

Por Objetivo de Producción (propuesta por IEA Bioenergía 42)

• Impulsadas por energía: el objetivo principal es la producción a gran escala de biocombustibles (etanol, biodiesel, biogás). Los coproductos añaden valor económico.
• Impulsadas por productos: se enfocan en productos de alto valor añadido (biopolímeros, antioxidantes, ácidos orgánicos). Los residuos se utilizan para generar energía térmica o eléctrica para autoconsumo.

Sistema de Nomenclatura Técnica (propuesto por IEA Bioenergía 42)

Este sistema de nomenclatura formal se basa en cuatro características que identifican, clasifican y describen los diferentes sistemas de biorrefinerías: las plataformas químicas (que son los intermediarios químicos entre el tipo de alimentación y el producto final, intermediarios como  son el biogas, el gas de síntesis de gasificación, los azúcares tipo C5 y/o C6 obtenidos de hidrólisis de material lignocelulósico, la lignina y el pirolato o aceite de pirólisis), las materias primas, los productos finales y los procesos de conversión requeridos.

En la siguiente figura, tomada del folleto Biorefineries del Grupo 42 de IEA Bioenergy podemos ver en el tope (verde) las materias primas posibles, en rectángulos los procesos, en hexágonos alargados las plataformas y en la parte inferior los elipsoides representando los productos materiales y energéticos. El término oil no se refiere a petróleo sino a aceites vegetales y/o sus residuos.

Beneficios y Limitaciones

Como toda tecnología en desarrollo, las biorrefinerías presentan una serie de beneficios para la sociedad en general pero también crea oportunidades para que los ingenieros enfrenten y resuelvan las limitaciones de su construcción, operación y optimización.

Beneficios

1. Sostenibilidad ambiental: Alta capacidad de reducción de GEI (hasta un 91% en algunos esquemas avanzados de producción de biocombustibles).
2. Eficiencia en el uso de recursos: El concepto de “biocascada” aprovecha al máximo los materiales, usando los residuos de un proceso como materia prima para el siguiente, minimizando así los desechos globales.
3. Versatilidad química: Las biorrefinerías tienen la capacidad de producir moléculas que el petróleo no puede ofrecer de forma económica, como carbohidratos complejos y biomoléculas funcionales (ejemplo, alcoholes).
4. Generación de empleo: Creación de puestos de trabajo directos e indirectos en los sectores agrícolas y de alta tecnología.

Limitaciones

1. Complejidad logística: La biomasa tiene una baja densidad energética y una alta dispersión geográfica, lo que dificulta la logística pues encarece el transporte y almacenamiento.
2. Costo de inversión: Las plantas de procesamiento lignocelulósico requieren inversiones de capital significativamente más altas que las refinerías convencionales debido a la necesidad de pretratamientos altamente severos.
3. Incertidumbre tecnológica: Muchos procesos (especialmente los clasificados como de tercera y cuarta generación) aún están en fase de planta piloto o demostración y presentan los riesgos de su escalamiento industrial.
4. Competencia con recursos fósiles: La volatilidad de los precios del petróleo dificulta la competitividad de los bioproductos sin subsidios gubernamentales.
5. La disponibilidad de biomasa aunque renovable es limitada y cíclica por lo que debe ser utilizada eficientemente por ejemplo vía refinerías que acepten diferentes materias primas y produzcan la mayor cantidad de productos.

 Biorrefinerías en Operación Comercial

Actualmente, las biorrefinerías que operan a escala comercial son principalmente de primera generación (industrias de azúcar, almidón, aceites vegetales y pulpa/papel), algunas de segunda generación producen biocombustibles como biodiesel, combustible de aviación (SAF) y bioetanol para gasolina.

La lista que encontrarán a continuación incluye un par de ejemplos de las productoras de combustibles y el resto son biorrefinerias que producen al menos un producto químico comercializable.

• UPM Lappeenranta (Finlandia): produce biodiesel a partir de aceite de resina (obtenida en el proceso Kraft de pulpa de papel, en inglés se llama tall oil).
• Neste Oil (Singapur): produce combustible de aviación (SAF) y biodiesel a partir de residuos vegetales y animales, aceite de cocina usado.
• Refinería de Phillips 66 en Rodeo, California: produce combustible de aviación (SAF) y biodiesel a partir de residuos vegetales y animales.
• Lenzing AG (Austria): Produce fibras celulósicas, ácido acético y furfural a partir de madera. Su plataforma es azúcares C5, lignina, electricidad y calor.
• Lenzing Pull Mill (Austria): produce furfural, ácido acético, fibras celulósicas y edulcorantes a partir de fibras y pulpa vegetales. Plataforma usada: azúcares C5, lignina.
• Biorrefinería de Pischeldorf (Austria): produce almidón, gluten, bioetanol, alimentos para animales y CO2 a partir de cereales. Plataforma: almidones y azúcares C5 y C6
• Sofiprotel (Francia): produce biodiesel, glicerina, recubrimientos biopoliméricos, biopolímeros y alimento animal a partir de colza y aceite de girasol. Plataforma: almidón y aceites.
• Highmar Renewables (Canadá); produce bioetanol, fertilizantes y alimento animal a partir de trigo, estiércol animal y residuos cárnicos. Plataforma: azúcares C5, biogas.

Algunos Avances en Biorrefinerías

La ingeniería de procesos ha impulsado avances significativos en la última década para mejorar la viabilidad de estos sistemas, específicamente en:

• Sacarificación y Fermentación Simultáneas (SSF): Reduce la inhibición por producto y los costos de capital al unificar etapas en un solo reactor.
• Licuefacción Hidrotérmica (HTL): Avance clave para biomasa húmeda (algas y lodos). Utiliza agua subcrítica para convertir biomasa en bio-crudo sin necesidad de secado previo, ahorrando energía significativa.
• Pirólisis Catalítica Rápida: Mejora la calidad del biolato reduciendo su contenido de oxígeno y acidez, acercándolo a las propiedades de los combustibles fósiles.

Sobre estos avances escribiremos en futuros blogs.

Fuentes 

Biorefinery: Concepts, Current Status and Development Trends. NQ Diep et al. International Journal Biomass and Renewables (2012)

IEA Bioenergy. Task 42. Folleto - Biorefineries: adding value to the sustainable utilization of biomass (2010)

Biorefineries: design and analysis, C,A, Cardona et al. CRC Press (2019). ISBN 978113808002