Tratamientos termoquímicos aplicados a biomasas leguminosas de rápido crecimiento

Resumen

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.