Resumen de Tratamientos termoquímicos aplicados a biomasas leguminosas de rápido crecimiento

Sergio Clemente Castro

• español

  La dependencia de los combustibles fósiles nos obliga a cuestionar el modelo energético actual. Debido al cambio climático y las derivas en los mercados energéticos, promover sistemas que aprovechen la biomasa para la producción de energía es indispensable, de aquí surgen las tendencias a promover tecnologías de producción de biocombustibles y todo tipo de productos bioquímicos a partir de materiales lignocelulósicos residuales. Las especies leguminosas de rápido crecimiento son interesantes ya que permiten obtener una gran cantidad de materia lignocelulósica con mejoras de suelos como captación de nitrógeno a partir de simbiosis con bacterias, reforestación o tratamiento de suelos contaminados con metales pesados. Leucaena leucocephala surge como la más destacada dentro de este grupo, una especie de gran valor debido a su constatado nivel de crecimiento, adaptación climática y disposición a la producción de biocombustibles. Las tecnologías de conversión termoquímica de biomasa utilizan calor para obtener típicamente fracciones sólida, líquida y gaseosa. La torrefacción es un calentamiento moderado, la pirólisis se realiza a mayor temperatura y en ausencia de oxígeno para dar una fracción líquida de alto valor conocida como bio-oil, la gasificación produce gases altamente energéticos con buen contenido en hidrógeno y la combustión quema biomasa produciendo calor que se aprovecha para producir electricidad. Todos estos procesos han ido perfeccionándose con el tiempo para generar productos selectivamente con el menor gasto energético. El estudio cinético de las reacciones en estado sólido de biomasa es un paso fundamental para entender los procesos termoquímicos. Con esta finalidad surgen los modelos y métodos de cálculos cinéticos para obtener energías de activación, entropías, entalpías y otros parámetros termodinámicos de interés para diseñar equipos industriales. En general, los esfuerzos se centran en averiguar cómo se desintegran los principales componentes estructurales de la biomasa, a saber: hemicelulosa, celulosa y lignina, en cada una de las condiciones de destrucción de la materia prima a temperaturas elevada. Estos métodos surgen de análisis termogravimétricos que miden la pérdida de masa de muestras al aumentar la temperatura a velocidad de calentamiento constante con el tiempo generando curvas. La extensa variedad de productos que surgen al desintegrar la biomasa al tratarla térmicamente merece un estudio específico. La hemicelulosa se descompone en productos orgánicos de bajo peso molecular como furanos, la celulosa además genera anhidro azúcares como el levoglucosano y la lignina tiende a formar compuestos aromáticos oxigenados. Su estudio es una herramienta muy útil para evaluar el potencial de la biomasa en procesos como la gasificación, la pirólisis y la combustión. Las plantas piloto permiten optimizar los parámetros de operación para obtener una serie de productos y características específicas. Al aplicar tratamientos termoquímicos en plantas piloto se pueden obtener las principales fracciones: gas, bio-oil y biocarbón, permitiendo caracterizar, optimizar y mejorar estos productos con vistas a que se traten de los futuros biocombustibles y bioproductos sustitutos de los productos de fuentes fósiles. El análisis cinético de las reacciones de biomasas leguminosas ha sido una de las primeras etapas de estudio para entender cómo se descomponen, permitiendo optimizar el proceso y dar información esencial del diseño, en última estancia, de reactores químicos. En estados iniciales, se debe conocer la cinética de reacción de procesos termoquímicos convencionales de pirólisis y combustión a través de estudios termogravimétricos y métodos isoconversionales. Con estos datos y usando estudios previos se obtienen parámetros termodinámicos de las reacciones. Además, mediante análisis previos de las materias primas estandarizados y productos por cromatografía de gases y espectrometría de masas se analizará la composición y posibles productos valorizables. Una vez conocidos estos datos, se puede estudiar procesos más complejos, como la gasificación, utilizando mezclas de gases más específicas con cantidad de oxígeno subestequiométricas. Es más, mediante análisis de gases se encuentran patrones que delimitan distintas reacciones con respecto a la cantidad de oxígeno utilizada en el proceso. La optimización de los principales parámetros que afectan a estos procesos termoquímicos es clave a la hora de diseñar y escalar plantas químicas, siendo los principales, según se deduce de estudios iniciales la temperatura, el diseño del reactor, el gas de reacción, el tipo de biomasa y las concentraciones de distintos gases de reacción en procesos más complejos como la gasificación. Todos estos aspectos son evaluables en la planta piloto con reactor de lecho fluidizado situada en las instalaciones de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería en Huelva, que cuenta con todos los requisitos para obtener unos datos de calidad. Al conocer los puntos de máxima degradación de las materias primas, se pueden deducir las temperaturas y condiciones ideales en planta piloto. Con ayuda de varios experimentos y eligiendo como puntos centrales referencias bibliográficas y estudios previos se usan diseños como el Box-Behnken que permite optimizar el proceso de pirólisis de leguminosas, y, como próxima meta se estudiarán procesos como la gasificación usando agua para obtener gas de síntesis. Además, la planta piloto también cuenta con un amplio sistema de recolección de productos como sólidos (biocarbón) que se separan del gas mediante ciclones, líquidos (bio-oil) condensados y gases de pirólisis no condensables. El análisis de estos productos de tratamientos termoquímicos también es un aspecto a destacar de la investigación. El bio-oil es el producto preferido de la pirólisis y, previo proceso de mejorado mediante hidrogenación, se utiliza como biocombustible o se separa selectivamente para producir productos bioquímicos de interés como vainillina, levoglucosano o xilano. El biocarbón es un material en auge que se puede utilizar para remediación de suelos, adsorbente selectivo o soporte de catalizadores. El gas de pirólisis no condensable es una fracción que típicamente se valoriza energéticamente quemándolo en la propia instalación, pero cada día surgen nuevos métodos de separación de compuestos como cetonas, aldehídos o alcoholes para la industria farmacéutica, cosmética u otras.

• English

  The dependence on fossil fuels forces us to question the current energy model. Due to climate change and drifts in energy markets, promoting systems that use biomass for energy production is essential, hence the trends to promote biofuel production technologies and all kinds of biochemical products from residual lignocellulosic materials. Fast-growing leguminous species are interesting since they allow obtaining a large amount of lignocellulosic matter with soil improvements such as nitrogen uptake from symbiosis with bacteria, reforestation or treatment of soils contaminated with heavy metals. Leucaena leucocephala emerges as the most outstanding within this group, a species of great value due to its proven level of growth, climatic adaptation, and willingness to produce biofuels. Biomass thermochemical conversion technologies use heat to typically obtain solid, liquid, and gas fractions. Roasting is moderate heating, pyrolysis is carried out at a higher temperature and in the absence of oxygen to give a high-value liquid fraction known as bio-oil, gasification produces highly energetic gases with good hydrogen content, and combustion burns biomass producing heat that is used to produce electricity. All these processes have been perfected over time to selectively generate products with the lowest energy expenditure. The kinetic study of solid-state reactions of biomass is a fundamental step to understand thermochemical processes. With this purpose, models and methods of kinetic calculations arise to obtain activation energies, entropies, enthalpies, and other thermodynamic parameters of interest to design industrial equipment. In general, efforts are focused on finding out how the main structural components of biomass, namely: hemicellulose, cellulose and lignin, disintegrate in each of the conditions of destruction of the raw material at elevated temperatures. These methods arise from thermogravimetric analyzes that measure the mass loss of samples with increasing temperature at a constant rate of heating over time, generating curves. The wide variety of products that arise from the disintegration of biomass by heat treatment deserves a specific study. Hemicellulose breaks down into low molecular weight organic products such as furans, cellulose also generates anhydrous sugars such as levoglucosan, and lignin tends to form oxygenated aromatic compounds. Their study is a very useful tool to assess the potential of biomass in processes such as gasification, pyrolysis and combustion. Pilot plants make it possible to optimize the operating parameters to obtain a series of products and specific characteristics. By applying thermochemical treatments in pilot plants, the main fractions can be obtained: gas, bio-oil and biochar, allowing the characterization, optimization and improvement of these products with a view to treating them as future biofuels and bioproducts that substitute products from fossil sources. The kinetic analysis of the reactions of leguminous biomass has been one of the first stages of study to understand how they decompose, making it possible to optimize the process and provide essential information on the design, ultimately, of chemical reactors. In initial states, the reaction kinetics of conventional thermochemical processes of pyrolysis and combustion must be known through thermogravimetric studies and isoconversional methods. With these data and using previous studies, thermodynamic parameters of the reactions are obtained. In addition, through prior analyzes of the standardized raw materials and products by gas chromatography and mass spectrometry, the composition and possible recoverable products will be analyzed. Once these data are known, more complex processes, such as gasification, can be studied using more specific gas mixtures with substoichiometric amounts of oxygen. Furthermore, through gas analysis patterns are found that delimit different reactions with respect to the amount of oxygen used in the process. The optimization of the main parameters that affect these thermochemical processes is key when designing and scaling chemical plants, the main ones, as can be deduced from initial studies, are temperature, reactor design, reaction gas, type of biomass and the concentrations of different reaction gases in more complex processes such as gasification. All these aspects can be evaluated in the pilot plant with a fluidized bed reactor located in the facilities of the Superior Technical School of Engineering in Huelva, which has all the requirements to obtain quality data. By knowing the points of maximum degradation of the raw materials, the ideal temperatures and conditions in the pilot plant can be deduced. With the help of several experiments and choosing bibliographical references and previous studies as central points, designs such as the Box-Behnken are used, which allows optimizing the pyrolysis process of legumes, and, as a next goal, processes such as gasification using water to obtain gas from synthesis. In addition, the pilot plant also has an extensive collection system for products such as solids (biochar) that are separated from gas by cyclones, condensed liquids (bio-oil), and non-condensable pyrolysis gases. The analysis of these thermochemical treatment products is also an aspect of the investigation that should be highlighted. Bio-oil is the preferred product of pyrolysis and, after an improvement process through hydrogenation, it is used as biofuel or selectively separated to produce biochemical products of interest such as vanillin, levoglucosan or xylan. Biochar is a booming material that can be used for soil remediation, selective adsorbent, or catalyst support. The non-condensable pyrolysis gas is a fraction that is typically recovered for energy by burning it in the installation itself, but every day new methods of separating compounds such as ketones, aldehydes or alcohols appear for the pharmaceutical, cosmetic, or other industries.