Valorisation of biomass feedstocks: bio-oil, crude glycerol and cheese whey using thermochemical processes
- Autores: Javier Remón Núñez
- Directores de la Tesis: Lucía García Nieto (dir. tes.), Jesús Arauzo Pérez (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Zaragoza ( España ) en 2016
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Miguel Menendez Sastre (presid.), Juan Carlos Serrano Ruíz (secret.), Jude A. Onwudili (voc.)
- Materias:
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- Resumen
La presente tesis doctoral ha sido desarrollada en el Grupo de Procesos Termoquímicos (GPT) perteneciente al Instituto de Investigación en Ingeniería de Aragón (I3A) de la Universidad de Zaragoza y se enmarca dentro de la línea de investigación correspondiente a la valorización de residuos biomásicos de dicho grupo. Específicamente, esta tesis contempla la producción de diferentes compuestos valiosos a partir de bio-oil procedente de la pirólisis rápida de residuos agroforestales, glicerina obtenida como subproducto de la fabricación de biodiésel y suero de queso generado como subproducto en la industria láctea. Este trabajo ha sido desarrollado en el marco de los proyectos de investigación “Producción de gas de síntesis a partir de residuos agroforestales a través de bio-oil” y “Reformado en fase acuosa de corrientes residuales de varios procesos industriales” con financiación del Gobierno de Aragón (CTPP02/09) y del Ministerio de Ciencia e Innovación (ENE2010-18985), respectivamente. La mayor parte del trabajo experimental se ha realizado en la Universidad de Zaragoza gracias a la ayuda pre-doctoral concedida por el Ministerio de Ciencia e Innovación (BES-2011-044856). Además, parte de la experimentación ha sido realizada en el Imperial College de Londres (Reino Unido), gracias a dos ayudas de movilidad de cuatro meses de duración cada una (años 2014: EEBB-I-14-08688; y 2015: EEBB-I-15-09588).
Para la valorización de bio-oil se han utilizado los procesos de reformado con vapor (catalítico y no catalítico) y reformado con agua en condiciones sub- y supercríticas para la producción de gases y líquidos combustibles. Con respecto a la producción de gases, se ha estudiado la valorización de residuos de serrín de pino y de chopo mediante pirólisis rápida y posterior reformado (catalítico y no catalítico) en fase gas (Steam Reforming) del bio-oil y de su fracción acuosa para producir un gas con un alto contenido en H2 (70 vol.%). Uno de los problemas más importantes del reformado catalítico con vapor es la desactivación del catalizador por deposición de residuos carbonosos en su superficie. Por ello, se han desarrollado y estudiado diferentes catalizadores coprecipitados e impregnados basados en Ni. Adicionalmente, para el correcto desarrollo de esta tecnología es muy importante conocer el efecto de la etapa de pirólisis en el proceso. En este sentido, se ha estudiado la influencia en el proceso de reformado del tipo de reactor empleado en la etapa de pirólisis (lecho fluidizado y lecho en surtidor) y del tipo de biomasa empleada (serrín de pino o de chopo). Analizando el efecto de estas variables, tanto en la composición del bio-oil obtenido, como en su posterior valorización mediante reformado catalítico en fase gas. En lo que respecta a la producción de compuestos líquidos valiosos, se ha analizado la valorización de bio-oil mediante reformado en agua sub- y supercrítica para la obtención de un líquido con mejores propiedades físico-químicas que el bio-oil de partida para ser utilizado como combustible.
La segunda corriente residual estudiada en la presente tesis doctoral es la glicerina obtenida como subproducto en el proceso de producción de biodiésel. Como regla general, durante la producción de biodiésel se obtiene 1 kg de glicerina por cada 10 kg de biodiésel producido. Esta glicerina, obtenida como subproducto, constituye una materia prima de partida muy interesante para la obtención de energía y/o productos químicos de valor añadido, con vistas a disminuir los costes actuales de producción del biodiésel y reducir los posibles problemas medioambientales ocasionados por un exceso de glicerina en el mercado. En este contexto, la presente tesis doctoral estudia la valorización de esta glicerina mediante reformado en fase gas y en fase acuosa con el objetivo de obtener productos químicos, tanto gaseosos como líquidos mediante reformado catalítico con vapor y reformado en fase acuosa. Para ello, en primer lugar, se ha estudiado como afecta la presencia de diversas impurezas comúnmente encontradas en la glicerina subproducto de biodiésel en ambos procesos. Concretamente se ha estudiado el efecto de la presencia de CH3OH y KOH (alcohol y catalizador básico homogéneo, empleados en la producción de biodiésel) y de CH3COOH (ácido que puede ser empleado durante la etapa de purificación de esta glicerina). En segundo lugar, se ha estudiado la valorización de disoluciones acuosas de glicerina obtenidas como subproducto de la fabricación de biodiésel mediante ambos procesos de reformado. Concretamente, se ha analizado el efecto de la temperatura, presión (durante el reformado en fase acuosa), concentración de glicerina y relación masa de catalizador/caudal másico de glicerina en su valorización mediante reformado catalítico en fase gas (orientado hacia la producción de H2) y reformado catalítico en fase acuosa (orientado a la obtención de productos líquidos de alto valor añadido). De esta forma se ha planteado una valorización global de esta corriente con el objetivo de intentar mejorar la economía y sostenibilidad del proceso de producción de biodiésel lográndose valorizar este subproducto tanto hacia la formación de productos valiosos, tanto líquidos como gaseosos.
El suero de queso constituye el principal subproducto en la industria de los lácteos. Concretamente la producción de 1 kg de queso genera aproximadamente 9 litros de suero. Este suero de queso consiste, principalmente, en una disolución acuosa de lactosa (5-6% m/m) y proteínas solubles (0,6-0,8% m/m), además de lípidos, vitaminas y sales minerales (<0,5 % m/m). Se trata de una corriente residual problemática para estas industrias debido a su elevado contenido en materia orgánica, con unos valores de DBO y DQO en el intervalo de 0,1-100 kg/m3. En la presente tesis doctoral se han utilizado los procesos de reformado en fase gas y en fase acuosa para el tratamiento y valorización de este subproducto. Estos procesos termoquímicos nunca han sido utilizados para el tratamiento de estas corrientes, por lo tanto se postulan como una alternativa pionera. Para ello, inicialmente se ha estudiado la valorización mediante reformado en fase gas y reformado en fase acuosa de disoluciones acuosas de lactosa (componente mayoritario del suero de queso). Se ha analizado cómo afectan a ambos procesos las variables operacionales: temperatura, presión (durante el proceso de reformado en fase acuosa), concentración de lactosa y relación masa de catalizador/caudal másico de lactosa. Posteriormente se ha estudiado la valoración de suero de queso real mediante ambos procesos, y se ha realizado una comparativa entre los resultados obtenidos con disoluciones de lactosa y los obtenidos con suero de queso.
