Universidad Politécnica De Zacatecas

Seminario en ingeniería en energía en biomasa 

El aprovechamiento de los biocombustibles: un renacimiento global de la producción de energía.

José Pablo Rodríguez Arellano

8 de marzo del 2013

Fecha de publicación: 8 de marzo del 2013

 

 "El presente escrito es una traducción y/o interpretación del artículo cuya referencia se muestra al final del documento, se realizó el blog con fines de divulgación"

Resumen

Biocombustibles, en pueblos larga espera de combustible alternativo, es todavía que luchar mucho para llegar en punto de venta en todo el mundo como un combustible amigable económico y ambiental. Los biocombustibles son el bioetanol, biodiesel, biogás, bio-gas sintético (bio-gas de síntesis), bio-aceite, bio-carbón, los líquidos Fischer-Tropsch y biohidrógeno. Entre estos bioetanol, biodiesel, biogás son predominantes que pueden ser producidos usando catalizador químico o biocatalizador a partir de biomasa. En la actualidad, el proceso convencional implica el catalizador químico mientras que una investigación rigurosa se ​​centra en el uso de un biocatalizador. Esta revisión pone de manifiesto las ventajas y desventajas de utilizar diferentes tipos de catalizador en la producción de biocombustibles y el énfasis en las nuevas tecnologías como una alternativa a las tecnologías convencionales.

Introducción

El impacto ambiental y disponibilidad de energía recursos jugará un papel crítico en el avance de la población mundial sociedades y el futuro de nuestro planeta físico. La mayoría de los necesidades humanas de energía actualmente se cumplen con petroquímico fuentes, carbón y gases naturales, pero estos combustibles fósiles son aproxima agotamiento y su uso continuado ha tenido dañar  consecuencias ambientales.

Consumo mundial de energía ha aumentado en más de veinte veces en el último siglo y, con la excepción de la hidroelectricidad y la energía de fusión nuclear, todas las fuentes actuales de energía más importantes son finitas. A las tasas actuales de uso, estas fuentes se agotarán pronto, lo que ha contribuido al aumento de los precios de los combustibles fósiles. A medida que la demanda de energía ha crecido, también lo han hecho los efectos ambientales adversos de su producción. Las emisiones de CO₂, SO₂ y NO_x de la combustión de combustibles fósiles son las principales causas de la contaminación atmosférica. La acumulación de dióxido de carbono y otros gases de efecto invernadero en la atmósfera se cree que es responsable del cambio climático, que se prevé contar con desastrosas consecuencias globales para la vida en este planeta.

Las energías renovables son indígenas, y por lo tanto puede contribuir a reducir la dependencia de las importaciones de petróleo y aumentar la seguridad del suministro. La política de biocombustibles tiene como objetivo promover el uso del transporte de combustibles a partir de biomasa, así como otros combustibles renovables. Los biocombustibles ofrecen la posibilidad de nuevas oportunidades económicas para la población de las zonas rurales en importador de petróleo y los países en desarrollo. La política central de la creación de empleo de biocombustibles preocupaciones, una mayor eficiencia en el entorno empresarial general, y la protección del medio ambiente.

Los biocombustibles - combustibles líquidos o gaseosos derivados principalmente de la biomasa - pueden ser capaces de proporcionar una fuente alternativa de energía que sea sostenible y sin impacto ambiental grave. Los biocombustibles se producen a partir de aceites vegetales, la remolacha azucarera, cereales, residuos orgánicos y el tratamiento de la biomasa. La medida en que los biocombustibles en última instancia, puede sustituir a los combustibles fósiles depende de la eficiencia con la que se pueden producir y, como la única alternativa a los combustibles fósiles, la investigación de biocombustibles y el despliegue se ha intensificado en todos los países.

Producción mundial de biocombustibles se ha triplicado de 4,8 mil millones de galones en 2000 a aproximadamente 16,0 millones de dólares en el 2007 con los EE.UU. y Brasil contribuye al 75% de la producción mundial (Fig. 1). La sustitución de los biocarburantes en combustibles derivados del petróleo para el transporte también está emergiendo como una estrategia de política importante. Si los biocombustibles pueden ser aprovechados con éxito, entonces hay la posibilidad de un renacimiento global en el sector de la energía, con beneficio para todos. Y, además del inminente agotamiento de los combustibles fósiles y los problemas medioambientales, las razones cruciales para el interés en las tecnologías de biocombustibles de los países en desarrollo e industrializados incluyen temas de seguridad energética, el ahorro de divisas y las cuestiones socioeconómicas relacionadas con el sector rural. Reseña aquí están las principales tecnologías de biocombustibles, sus fortalezas, debilidades y los problemas técnicos que deben ser resueltos por su potencial para realizarse plenamente.

 Figura. 1. Contribución de bioetanol a partir de diversos países.

2. Tecnologías de los biocarburantes

Los biocombustibles se producen convencionalmente mediante procesos químicos catalíticos aunque los desarrollos recientes en la biotecnología blanca y la tecnología verde han impulsado el uso de un número de enzimas y microorganismos para el desarrollo de productos y procesos. Hay tres principales tecnologías de biocombustibles, cada uno derivado de diversas biomasas: bioetanol, biodiesel y biogás. El biodiesel y el bioetanol son los biocombustibles primarios y tienen cada desarrollo con experiencia enorme en términos de producción a escala industrial y la calidad. El aumento en los niveles globales de producción de estos dos combustibles se muestra en la figura. 2.

Figura. 2. La producción global de bioetanol y biodiesel

2.1. Bioetanol

2.1.1. Materia Prima

Bioetanol se deriva de materia prima biológica que contiene cantidades apreciables de azúcar o materiales que se pueden convertir en azúcar por fermentación para producir alcohol. Otro recurso potencial para el etanol de biomasa lignocelulósica, que incluye materiales tales como residuos agrícolas (por ejemplo, el rastrojo de maíz, paja de cultivos, y el bagazo de caña), cultivos herbáceos (por ejemplo, alfalfa, pasto varilla), residuos forestales, papeleras y otros desechos. Sin embargo, la utilización eficiente de la biomasa lignocelulósica para producir etanol combustible está todavía en desarrollo. Una comparación del potencial de producción de las diferentes materias primas se da en la Tabla 1.

Tabla 1.Diferentes materias primas y su potencial de producción comparativo

La producción mundial de etanol en el 2007 fue de 12,5 mil millones de galones (Fig. 2) y los principales productores de etanol son Brasil y los EE.UU., que representan alrededor del 62% de la producción mundial. Las principales materias primas para el etanol en estos dos países son la caña de azúcar, en Brasil, y el grano de maíz en los EE.UU. Mientras, el etanol puede ser producido a partir de cualquier azúcar o cultivo de almidón.

2.1.2. Descripción del proceso

La producción de bioetanol implica tres procesos:

<!--[if !supportLists]-->·        <!--[endif]-->El primer proceso es la hidrólisis de azúcares superiores a la glucosa.

<!--[if !supportLists]-->·        <!--[endif]-->El segundo es la fermentación de la glucosa para producir etanol y dióxido de carbono.

<!--[if !supportLists]-->·        <!--[endif]-->El tercer proceso es termoquímico, donde se destila el etanol diluido para producir etanol absoluto.

 La biomasa lignocelulósica se utiliza como materia prima, un paso de pretratamiento de cualquiera de hidrólisis química o enzimática se lleva a cabo para eliminar la lignina presente en él. Hidrólisis química utiliza ácido para romper las moléculas más altas de azúcar en la materia prima, mientras que la hidrólisis enzimática utiliza varias enzimas de lograr esto (aunque también es posible el uso de microorganismos en lugar de enzimas). Cada proceso tiene sus ventajas y desventajas. Hidrólisis química es una tecnología bien desarrollada, que es más eficiente que su contraparte enzimática. Debido a la disponibilidad del ácido utilizado, el proceso también es menos costoso. Pretratamiento químico requiere poco tiempo y altos niveles de conversión se puede conseguir. Sin embargo, este proceso también tiene graves desventajas en que requiere altas temperaturas y el agua residual producida es tóxica, que requiere un tratamiento costoso. Este método de hidrólisis también conduce a la tierra y la contaminación del etanol producido contiene trazas de ácido, haciendo que el combustible resultante corrosivo.

La hidrólisis enzimática puede llevarse a cabo de dos maneras: ya sea utilizando enzimas solubles o enzimas inmovilizadas.

El uso de enzimas solubles para la hidrólisis es el método convencional pero el reciente desarrollo de inmovilización - donde una enzima puede ser reutilizado, lo que disminuye el costo - ha mostrado resultados prometedores en muchas industrias.

La hidrólisis enzimática soluble tiene ciertas ventajas. A diferencia de la hidrólisis química, sólo condiciones de reacción suaves son necesarias y el producto de etanol resultante es de mayor calidad, es menos corrosivo y requiere una menor inversión en tratamiento de aguas residuales. Sin embargo, la hidrólisis enzimática también carece de algunas de las características atractivas de la hidrólisis química: la enzima es cara, no se puede almacenar durante mucho tiempo debido a su período de uso más bajo y su uso puede variar dependiendo de la materia prima utilizada. Además, el proceso enzimático necesita más tiempo para completar la inhibición del producto y disminuye la actividad de la enzima.

Además de las características relativas de los procesos químicos y enzimáticos, hay más distinciones entre los dos tipos de proceso enzimático. La separación de la enzima inmovilizada a partir del producto es fácil, reutilizando varias veces hace que sea más barato que la alternativa soluble. La enzima inmovilizada también es más activo e inmovilización cóctel de enzimas también es posible. Los inconvenientes del uso de enzimas inmovilizadas son limitación de transferencia de masa, fuga de enzima, la no disponibilidad de un versátil comercial de enzima inmovilizada y el hecho de que algunos métodos de inmovilización implican productos químicos tóxicos.

En la actualidad, el proceso químico está más extendido que el proceso enzimático pero con la aparición de la tecnología verde, la biotecnología y la ingeniería de proteínas, sólidas enzimas solubles e inmovilizadas pueden estar disponibles para la producción de etanol en un futuro próximo. También debe mencionarse que una cuestión importante en la producción de bioetanol es la disponibilidad de materias primas. La disponibilidad de materia prima para bioetanol puede variar considerablemente de una temporada a otra y puede depender de la ubicación geográfica. El precio de las materias primas también es altamente volátil, que puede afectar fuertemente los costos de producción de bioetanol. Como materias primas que representan típicamente mayor que un tercio de los costos de producción, que son esenciales para maximizar el rendimiento de bioetanol.

2.2. Biodiesel

2.2.1. Materia Prima

El biodiesel es un líquido casi incoloro a partir de la transesterificación de aceites vegetales y grasas animales y tiene propiedades similares a base de petróleo diesel. En particular, tiene un número de cetano (tiempo en que trascurre la inyección de carburante) relativamente alto y aproximadamente el 90% del contenido de energía de diesel de petróleo (Tabla 2), lo que es un sustituto atractivo directo o componente de la mezcla.

Tabla 3. Contenido energético de los distintos combustibles

La producción mundial actual de biodiesel es de aproximadamente 5 mil millones de galones (Fig. 1), y esta cifra es probable que aumente debido a la aplicación de la mezcla 10:90 de los biocombustibles y el combustible diesel convencional en muchos países. El biodiesel puede ser derivado de los aceites vegetales (Tabla 3) y, como el bioetanol, se pueden procesar en un número de maneras.

Tabla 3.Materia prima para la producción de biodiesel

2.2.2. Descripción del proceso

Actualmente, la producción industrial de biodiesel es un proceso químico basado en la metanólisis de los aceites que utilizan catalizadores ácidos o alcalinos. Sin embargo, recientes investigaciones a escala de laboratorio se ha dirigido a desarrollar técnicas enzimáticas de producción, por ejemplo, la enzima lipasa se ​​puede usar como un catalizador para la transesterificación del aceite vegetal a éster de metilo. El único obstáculo para la extensión de la producción enzimática a grandes escalas industriales es el costo de la enzima pero esto se puede superar con el uso de lipasa inmovilizada que puede ser reutilizado varias veces para disminuir los costos. Como alternativa a la utilización de lipasa como catalizador en la producción de biodiesel, algunos estudios también han utilizado un conjunto de células inmovilizadas-de Rhizopu oryzae y han demostrado resultados prometedores, el logro de conversión igual éster metílico igual catalizadores enzimáticos.

Hay varias ventajas y desventajas asociadas con la química, enzimáticos inmovilizados y-enteros procesos celulares. Si se aplica a gran escala, los procesos celulares y enzimáticos inmovilizados todo-parecen tener beneficios ambientales superiores cuando se compara con el proceso químico convencional.

La producción química de biodiesel es una técnica de producción bien desarrollada y comercializada que utiliza un catalizador de bajo costo y tiene un tiempo de reacción más corto que los procesos celulares y enzimáticos inmovilizados entero. Sin embargo, la producción química también adolece de algunas desventajas serias. Los costes de operación del proceso son altos para una serie de razones. Varias reacciones laterales están formadas que conducen a la formación de jabón, lo que requiere una unidad de separación para separar el precipitado formado y significa que los aceites usados ​​con alta FFA no se puede utilizar como materia prima. El uso de catalizadores químicos también requiere un tratamiento de aguas residuales que es una carga para la producción y también para el medio ambiente. Otro subproducto, glicerol, producida durante la alcoholisis es impura y necesita purificación adicional y una mayor cantidad de alcohol por encima de la estequiometria es necesario para obtener una conversión más alta.

Como para el bioetanol, el procesamiento enzimático de biodiesel aborda muchos de los problemas asociados con el procesamiento químico. Sólo requiere condiciones de operación moderadas y se obtiene un producto de alta calidad con un alto nivel de conversión y la evaluación del ciclo de vida de la producción enzimática de biodiesel tiene consecuencias ambientales más favorables en el agotamiento abiótico, calentamiento global, agotamiento de la capa de ozono, toxicidad en humanos, eco toxicidad acuática de agua dulce, la oxidación fotoquímica acidificación y la eutrofización.

Los problemas de procesamiento químico de tratamiento de aguas residuales se reducen y la formación de jabón no es un problema, lo que significa que el aceite de desecho con mayor FFA puede ser utilizado como el material de alimentación. El glicerol subproducto no requiere ninguna purificación y se puede vender a un precio más alto. Una unidad de recuperación de metanol no se requiere ya que el proceso sólo requiere una cantidad estequiométrica de alcohol. La reutilización de la enzima es posible que disminuya el precio de la enzima, el biodiesel producido no contiene ningún residuo de enzima y la actividad de la enzima se puede aumentar por la inmovilización. Justo como el bioetanol, los inconvenientes del proceso de enzima inmovilizada son limitación de transferencia de masa, fuga enzima, la actual falta de una versátil comercial enzima inmovilizada y el problema de que algunos métodos de inmovilización implican productos químicos tóxicos.

2.3. Biogas

2.3.1. Materia Prima

El uso de un tipo particular de biocombustibles no puede cumplir las demandas actuales de energía global y es necesario utilizar una combinación de todos los biocombustibles disponibles. El biogás es una fuente atractiva de energía principalmente porque es renovable y permite el reciclaje de residuos orgánicos y tiene otras ventajas también. Biogás también puede desempeñar un papel en la distribución, el almacenamiento y los aspectos veterinarios de estiércol. Se puede reducir el uso de fertilizantes, y pueden contribuir a la reducción de metano, un gas de efecto invernadero. Biometanización es una opción seria, no sólo en la producción de energía de una manera respetuosa del medio ambiente, sino también la limpieza de los desechos sólidos en las zonas urbanas. En comparación con bioetanol a partir de trigo y el biodiesel de colza, la producción de biogás a partir de cultivos energéticos podría generar aproximadamente el doble del rendimiento energético neto por hectárea por año y la producción de biogás puede ser utilizado para mejorar la eficiencia de los recursos de los métodos actuales de producción de bioetanol y biodiesel, utilizando los subproductos generados por estos métodos.

2.3.2. Descripción del proceso

La tecnología del biogás se basa en el fenómeno bioquímico de bacterias generadoras de metano que operan en la ausencia de aire sobre la materia orgánica que contiene celulosa en una solución de agua.

La conversión anaeróbica biológica de la materia orgánica tiene lugar en tres pasos.

El primer paso consiste en la transformación mediada por enzima de material orgánico insoluble y compuestos de alto peso molecular tales como lípidos, polisacáridos, proteínas, grasas, ácidos nucleicos, en materiales orgánicos solubles (es decir, en compuestos adecuados para el uso como fuentes de energía y de células de carbono tales como monosacáridos, aminoácidos y otros compuestos orgánicos simples). Este paso se denomina hidrólisis y se lleva a cabo por anaerobios estrictos, tales como Bactericidas, Clostridia y bacterias facultativas, tales como estreptococos, etc.

En la segunda etapa acido génesis, otro grupo de microorganismos fermenta la descomposición de los productos a ácido acético, hidrógeno, dióxido de carbono y otros de menor peso simples ácidos volátiles orgánicos como el ácido propiónico y ácido butírico que son a su vez se convierte en ácido acético.

En el tercer paso, estos ácidos acético, hidrógeno y dióxido de carbono se convierten en una mezcla de metano y dióxido de carbono por las bacterias metano génicas (utilizadores de acetato como Methanosarcina spp. Methanothrix y spp. E hidrógeno y formiato de utilizar especies como Methanobacterium, Metanococcus, etc). En la actualidad la tecnología del biogás se utiliza en zonas rurales de los países en desarrollo, donde gran cantidad de residuos agrícolas y animales se encuentra disponible.

 Características muy atractivas y maduración reciente de la tecnología, el biogás no ha alcanzado producción a gran escala debido a una serie de limitaciones técnicas.

<!--[if !supportLists]-->   ·        <!--[endif]-->En primer lugar, es un proceso relativamente lento e inestable, lo que requiere grandes volúmenes de digestor y por lo tanto, es algo costoso.

<!--[if !supportLists]-->   ·        <!--[endif]--> La disminución de la generación de gas durante la temporada de invierno plantea un problema práctico serio y el reactor pueden obstruir en el largo plazo.

<!--[if !supportLists]-->   ·        <!--[endif]-->Un ligero cambio en los resultados de pH o de temperatura en la producción de gas reducida.

<!--[if !supportLists]-->  ·        <!--[endif]-->El mantenimiento de estos parámetros dentro del rango deseado requiere mantenimiento y la vigilancia con regularidad.

<!--[if !supportLists]-->   ·        <!--[endif]-->La formación de ácidos grasos volátiles más allá de un rango particular dificulta la producción de metano.

2.4. Nuevos procesos emergentes

Los investigadores están empleando varios procesos para mejorar la calidad y la viabilidad económica de los biocombustibles. Nuevos enfoques están siendo probados a partir de la materia prima para el refinado del producto. Entre ellas micro algas y jatropha se estudian como una fuente potencial de petróleo para la producción de biodiesel. Estas fuentes en los cultivos de alimentos no influyen en forma, con lo que son las principales materias primas para la producción de biodiesel. De manera similar, la extracción supercrítica empleando CO₂ y líquidos iónicos se están convirtiendo en agentes de separación conocidos en la destilación extractiva para la deshidratación de etanol a partir de soluciones acuosas. Además, la reacción hidrotermal podría ser un método importante para el tratamiento de desechos orgánicos en bioetanol y la producción de biogás. Di esterol, una mezcla de combustible fósil diesel, biodiesel y bioetanol también está emergiendo como un nuevo combustible ecológico motor de combustión interna. La evolución de los aspectos de la fitoquímica ecológica puede inducir vías de defensa de las plantas para el control de plagas, enfermedades y malas hierbas que favorecen una mayor producción de cultivos de materias primas para la producción de biocombustibles.

3. Discusión y conclusiones

Es útil discutir cuál de las tres tecnologías de biocombustibles se describe aquí tienen el mayor potencial para satisfacer las necesidades energéticas del mundo. La producción de etanol y biogás ambos sufren de la inhibición del producto. En el caso del etanol en el producto final en sí mismo y para el biogás de los ácidos grasos volátiles que se generan como productos intermedios metabólicos. El etanol en concentraciones por encima de un determinado umbral reducirá drásticamente la capacidad fermentativa de los organismos utilizados. El almacenamiento de estos combustibles es costoso debido a sus naturalezas higroscópicas y corrosivas. En el caso del biogás, un enriquecimiento de ácidos grasos volátiles en el reactor podría detener el proceso en su totalidad. Considerando que, en caso de biodiesel estos inconvenientes se eliminan.

El problema principal asociado con el biodiesel es la formación de jabón cuando catalizadores ácidos o alcalinos se utilizan, pero esto puede ser resuelto mediante el uso de un catalizador enzimático. Uso de una enzima inmovilizada y volver a utilizarlo varias veces disminuye el costo de la enzima en gran medida. De los biocombustibles discutido aquí, el biodiesel parece ser la tecnología más probable que sea capaz de la ampliación de producción a gran escala de una manera controlada y rentable. También tiene la ventaja de un manejo más seguro y almacenamiento. Esta afirmación está apoyada por el aumento espectacular de la producción de biodiesel en los últimos 2 años y la implementación de un 5-20% de mezcla de biodiesel diesel de petróleo en los países desarrollados y en desarrollo. La investigación rigurosa se ​​lleva a cabo a nivel mundial para llevar la producción enzimática de biodiesel a escala industrial. En el futuro, la ingeniería metabólica y proteínas desempeñan un papel importante en la mejora de la actividad y la estabilidad de las enzimas. En glicerol Además, el subproducto de la producción de biodiesel se puede convertir en etanol por fermentación anaerobia favorecerá, en la reducción del coste de producción. Por estas razones, se prevé que la producción de biodiesel aquí usando catalizador heterogéneo (Fig. 3) podría surgir como el biocombustible dominante en los próximos años, en sustitución de los combustibles fósiles para satisfacer las crecientes necesidades mundiales de energía de una manera que no tendrán el impacto de la ambiente.

Figura. 3. Diagrama esquemático del proceso heterogéneo enzimática de biodiesel.

1.-¿Cual fue la producción mundial de etanol en 2007 y cuales fueron los países productores?

2.-¿Cuales son los 3 procesos de producción de bioetanol?

3.-¿Cuales son las características que por el cual el biogas no alcanzado la producción a gran escala?

Referencias

 

Jegannathan kenthorai, Chan Eng-Seng, Favindra Pogaku, El aprovechamiento de biocombustibles: un renacimiento global  de la producción de energía,el sevier,2009,pp. 2163-2168.