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BIOREFINERÍAS, ALTERNATIVA PARA EL APROVECHAMIENTO DE LA BIOMASA RESIDUAL

Jesús A. García-Núñez, Nidia E. Ramírez-Contreras, Deisy T. Rodríguez-Peñuela, Manuel García-Pérez.

Tabla de Contenido

1.  Introducción

2.  Estado actual de biorefinerías

3.  Biomasa residual de las plantas de beneficio

4.  Estrategias para seleccionara biorefinerías en PB

5.  Conclusiones

6.  Agradecimientos

Adapted from: Jong Ed, van Ree R: Biorefineries. Interna�onal Status quo and future direc�ons.

Definiciones de Biorefinería NREL: Una biorefinería es una instalación que facilita los procesos de conversión integral de la biomasa y equipos para producir combus�bles, energía y químicos de valor agregado desde la biomasa. El concepto de biorefinería es análago a la refinería de petróleo.

US-‐DOE: Una biorefinería es un concepto general de una planta de procesamiento en donde la biomasa es conver�da en un espectro de productos de valor agregado.

NL: La separación de biomasa en dis�ntos components los cuales pueden ser usados individualmente en los mercados después de su separación o después de tratamientos biológicos o termoquímicos.

Introducción

Adapted from: Kamm M, Kamm B: Development of biorefineries by means of two current projects in North and Middle Europe. 2005.

Petroleo

Combus�bles y energía LPG, Gasolina, diesel, aceites pesados, gas oil, e�leno , hidrogeno, metano

Químicos

Biomasa

Bio-‐combust. y Bio-‐Energía Bioetanol, Biodiésel, Biogas, biocarbón, bio-‐aceites, bio-‐hidrógeno

Bio-‐Químicos Adapted from: Jechura J, Ibsen KN, McMillan JD: Encouraging the Development of Biorefineries. 24th Symposium on Biotechnology for F & Che 2002.

REFINERIA

BIO-‐ REFINERIA

Crude

LPG and GAS

STRAIGHT RUN GASOLINE

NAPHTHA

MIDDLE DISTILLATES

HVY ATMS GAS OIL VAC GAS OIL

LUBE BASE STOCK

GAS

LPG REGULAR GASOLINE PREMIUM GASOLINE SOLVENTS AVIATION FUELS DIESELS

HEATING OILS LUBE OILS GREASES ASPHALTS INDUSTRIAL FUELS FUEL OIL

COKE

Mas de 2,000 productos individuales

Sugar/starch crops

Lignocellulosic biomass

Oil Plants

Anaerobic diges�on

Fast Pyrolysis

Hydrothermal liquefac�on

Hydrolysis

Milling and hydrolysis

Pressing or Extrac�on

Gasifica�on

Biogas

Bio-‐oil

Sugar

Vegetable oil

FEEDSTOCK PRIMARY CONVERSION

INTERMEDIATES

SECONDARY CONVERSION

Biorefineria (COMBUST) FINAL PRODUCTS

Water gas shi�

Catalysed Synthesis

Purifica�on

Hydrotrea�ng

Fermenta�on

Esterifica�on

Hydrotreatment

Syngas

H2

CH3OH

DME (CH3OCH3)

FT Diesel

SNG (CH4)

Green Biodiesel

Ethanoll, buthanol

Biodiesel

Green diesel

Refinería Petróleo (COMBUS) (QUÍMICOS)

(BIO-‐QUÍMICOS)

7 Building Blocks: Syngas from Methane (CH4), Ethylene,

Propylene, Bunates, butylene, butadiene amd BTXs (benzene,

toluene and xylene)

Many Poten�al Building Blocks: C1 (CH4, Methanol, CO), C2(Ethanol), C3 (Glycerol, lac�c acid, propionic acid), C4 (succinic acid, malic acid) C5 (furfural, levulinic acid), C6 (Lysine), Aroma�cs (Gallic acid)

Refinería de petróleo como un analogía Introducción

Tabla de Contenido

1.  Introducción

2.  Estado actual de biorefinerías.



5.  Conclusiones


Adapted Bin Yang, BSYSE 597-‐ WSU, 2010

El Valle de la muerte para nuevas tecnologías Estado actual de biorefinerias

Conceptos de biorefinería financiados por el DOE de Estados Unidos h�p://www1.eere.energy.gov/biomass/integrated_biorefineries.html

Zeachem : Hybrid

Poplar, Biochemical, Ethanol

Amyris: Sweet Sorghum , Biochemical, Renewable diesel

Logos: Corn Stover, Biochemical, Ethanol

Rentech ClearFuels: Wood Waste, Bagasse, Gasifica�on, Renewable Diesel, Jet Fuel

Abengoa: Stover, Switchgrass, Biochemical, Ethanol

Sapphire: Algae, Biochemical, Algal lipids

UOP: Forest residues, bagasse, Pyrolysis, Renewable diesel, gasoline

Flambeau: Mill residues, Gasifica�on, Renewable FT Diesel

Mascoma: Forest, Biochemical, Ethanol

API: Hardwood, Biochemical, Ethanol

POET: Corn Cobs, Biochemical, Ethanol

REII: Rice Hulls, Gasifica�on, Renewable Diesel

GTI: Wood Waste, Pyrolysis, Renewable Diesel, gasoline

Haldor: Wood Waste, Gasifica�on, Renewable gasoline

Solazyme: Algae, Biochemical, Product: algal lipids

ICM: Corn Fiber, Biochemical, ethanol

Myriant: Sorghum, Biochemical, by-‐productsl

ADM: Corn Stover, Biochemical, ethanol

Bluefire: Wood Waste, Biochemical, ethanol

Enerkem: MSW, Forest residues, Gasifica�on, ethanol

INEOS: MSW, Hybrid, ethanol Algenol: Algae, Biochemical, ethanol

Ejemplo Productos de Biorefinería

Planta de biorefinería para la producción de Ácido

Succínico

Biomasa seca 88542 kg/h (100%)

Etanol 8854 kg/h (10%)

Ácido lác�co 410 kg/h (0.50%)

Lignina 15938 kg/h (18%)

Ácido Succínico 11453 kg/h (12.9%)

Ácido Fórmico 4665 kg/h (5.3%)

Ácido Acé�co 4767 kg/h (5.4%)

Garcia-‐Nunez J.A., Pelaez R., and Wansel P. (2011). Succinic acid produc�on plant design. BSYSE 597 WSU

Madurez tecnológica, un aspecto cambiante

Adapted: Bin Yang, BSYSE 597-‐ WSU, 2011

Madurez de la tecnología Baja Alta

Etanol

Biodiesel

Diesel Verde

Líquidos y gas de síntesis

Bioaceite y derivados

H2 de biomasa

Diesel de algas

Alcanos de CHs Agricola

Carbón

Petróleo

Forestal Academia e inicio de I&D

Factores Clave Valor agregado

Combus�bles re

novables y re

ducción de GEI

Nuevo s me r c ado s p a r a cerea les y p roductos agrícolas.

Gasolina de al

Nuevo s me r c ado s p a r a excedentes de aceites y grasas

Costos mas bajos y calidad de productos mas altas que los EMAG

Integración de la biomasas con carbón, coque, y aceites pesados

Ajuste técnico con biomasa de madera, bioaceite crudo y c o m p u e s t o s q u í m i c o s aromá�cos.

Potencial de combus�ble para transporte de cualquier procedencia

Mayor compa�bilidad con productos derivados del petróleo

European Biomass Conference and Expo, 2007

Análisis de conceptos seleccionados para la producción de BTL en Europa

0% 20% 40% 60% 80% 100%

Concepto 1

Concepto 2

Concepto 3

Concepto 4

Concepto 5

Costo de la Biomada a la planta de BTL (EUR/GJ)

Costos de capital

Costos de consumo

Costos de operación

Tabla de Contenido

1.  Introducción

2.  Estado actual de biorefinerías



5.  Conclusiones


Biomasa residual de las plantas de beneficio

García-‐Núñez et al, 2010

Plantación de palma de aceite

Racimos de fruta fresca (100%)

Racimos vacíos (20-‐23%)

Fibra (11-‐14%)

Aceite crudo de palma (20-‐23%)

Efluente (POME) 0.70 m3/t RFF

Cascarilla (5-‐7%)

Almendra (4-‐6%)

Muchos productos

Caracterís�cas de la biomasa generada en las PB

Componentes Cuesco Tusa Fibra

Lignina (%) Celulosa (%) Hemicelulosa (%) Extractos (%) Poder calorífico (kJ/kg)

49.58 30.28 12.72 7.13 21445

10.23 44.97 19.92 19.32 8165

21.79 33.21 16.58 19.34 19201

Ceniza (%) Volá�les a 600°C (%) C (%) N (%) S (%)

2.02 70.65 46.21 0.36 0.04

7.87 70.59 40.88 0.87 0.09

8.44 69.39 43.35 1.21 0.18

Na (mg kg-‐1) Mg (mg kg-‐1) Al (mg kg-‐1) P (mg kg-‐1) K (mg kg-‐1) Ca (mg kg-‐1) Fe (mg kg-‐1)

13.3 250.7 336.5 111.9 1557.5 160.8 337.9

102.3 913.1 802.1 572.7 22289.2 889.3 812.4

32.9 1509.5 1216.3 594.9 5188.3 1771.6 1239.4

Adaptado: (Das et al., 2007; Garcia-‐Nunez et al., 2008; Garcia-‐Nunez, 2005)

Tusa

14

Fibra Cuesco

García-‐Núñez,J.A. 2013

Tabla de Contenido

1.  Introducción




5.  Conclusiones


Razones para convertir una planta de beneficio en una biorefinería

Parámetro Nueva Biorefinería POM Biorefinería

Costo de biomasa 40 – 50%

“Gra�s” Costo de transporte de biomasa “Gra�s”

Disponibilidad de biomasa 7 meses/año 365 días/año

Existencia de infraestructura NO SI

Mercadeo de productos Para ser desarrollado Podría usarse en la

misma plantación Tamaño 2000 ton/día 200 – 500 ton/dia García-‐Núñez,J.A and García-‐Perez, M. 2012

Muchas alternativas para escoger la mejor opción de POMB es una tarea difícil

Tecnología probada…?

Usar toda la biomasa o retornala al campo?

Uno o varios productos?

Será que me uno con otros palmeros…??

Cómo comercializo los nuevos productos?

Cómo me integro con lo que ya tengo?

Especificaciones finales de los productos? Costos de

producción, transporte,

comercialización…? $$$$

1.-‐ Generación de alterna�vas de conceptos de biorefinería a través de sesiones de tormenta de ideas.

2.-‐ Cuan�ficación de eficiencia de procesos, impactos ambientales y comportamiento económico usando códigos de simulación.

3.-‐ Construcción de una matriz de decisiones para seleccionar la mas promisoria alterna�va de una biorefineria acoplada a una PB.

Estrategia Propuesta:

Estrategias para evaluar conceptos de biorefinería en plantas de beneficio

Fermentación alcohólica

H2O CO2

POME

Cuesco

Fibra

Tusa

Biológico

Físico y Químico

Térmico Gasificación

Pirólisis

Combustión

Secado

Molienda

Compactación

Celulosa Pellets Aditivos plásticos Materiales Aislantes Leña – Briqueta, Aglomerados Papel

Etanol, Hidrógeno, Azúcares (Xylol) Compostaje, Productos químicos, Captura de CO2

Calor

Líquido

Gas

Sólido

Licuefación

Energía Biocarbón Carbón activado Hidrógeno Combustibles Prod. químicos

Digestión anaeróbica

Despulpado

1. Linea Base

Generación de vapor

Lagunas Anaeróbicas

Planta de Beneficio

Ver�miento (0.7 m3/t FFB)

CH4, CO2

POME

Fibra (13 %)

Tusa (21 %), Cascarillal (5 %)

Vapor

FFB (100 %)

Aceite 21 %

Almendra 5 %

Agua

Fibra (1.3 %)

CO2

0.75 m3/t FFB

1.-‐ En algunas zonas de Colombia, las autoridades locales �enen prohibida la disposición de tusa!

Problemas:

2.-‐ Las nuevas regulaciones �enen limitada la can�dad de material par�culado en chimeneas <300 mg/m3.

3.-‐ El actual tratamiento aguas residuales usa lagunas de diges�ón anaeróbia para remover 96 % DQO. Las nuevas regulaciones exigirán remoción en ppm (99.5 %) 4.-‐ Gases de efecto invernadero (GEI) liberados durante la diges�ón anaerobica representan más del 70% del total de CO2eq liberado durante el proceso de extracción de aceite .


Escenarios Linea Base del Cultivo Fer�lización quimica

(N, P, K, Mg, B) 21.98 kg/t RFF

Agro-‐químicos 0.184 kg/t RFF

Agua (Precipitación, irrigación)

536,242 kg/t RFF

Combus�bles (Diesel, Gasolina,

lubricantes) 4.73 kg/t RFF

Racimos de fruta fresca (RFF) 1 t

Flujo de masa

Flujo de energía

Fer�lización orgánica

(N, P, K, Mg, B) 10,04 kg/t RFF


RFF 4,914 kg/t CPO

Agua 6,388 kg/t CPO

Evaporación 5,671 kg/t CPO

Combus�bles 14.02 kg/t CPO

Aceite crudo de Palma (CPO) 1 t CPO

Energía 134 kWh/t CPO

Efluente 4,422 kg/t CPO Ver�miento

2,382 kg/t CPO

Almendra 215 kg/t CPO Biomasa

2,035 kg/t CPO Tusa: 1,086 Fibra: 569

Cascara: 350 Lodo: 30

Flujo de masa Flujo de energía

Escenarios Linea base Planta de Beneficio


2. Con compostaje Generación conceptos de Biorefinería


Laguna Anaeróbica

Planta de Beneficio

Ver�miento

CH4, CO2

Efluente

Fibra

Tusa, Cascara

Vapor

Tusa

Aceite 21 %

Almendra 5 %

Agua

Fibra

CO2

Compostaje Material Compostado


Módulo de Compostaje Materia Prima

1,862 kg/t compost (Tusa, Efluente, Ceniza, Fibra, Cáscara)

Evaporación 833 kg/t compost

Combus�bles y lubricantes

1.81 kg/t compost

Compost 1 t

Energía 0.31 kWh/t compost Lixiviados

0 kg/t compost

Nutrientes 47.7 kg/t compost N: 12.00 P: 8.60 K: 13.30 Ca: 8.70 Mg: 5.10

Flujo de materia Flujo de energía


3. Con producción de pellets


Laguna Anaeróbica

Planta de Beneficio

Ver�miento

CH4, CO2

Efluente

Fibra

Tusa, Cáscara

Vapor

Tusa

Aceite 21 %

Almendra 5 %

Agua

Fibra

CO2

Unidad Pellets Pellets


Generación conceptos de Biorefinería

Pelletization module Materia Prima

2,850 kg/t pellets (100% RFF)

Humedad y aceite 1,811 kg/t pellets

Binder 28.79 kg/t pellets

Pellets 1 t

Energía Elécrica y Térmica

216 kWh/t pellets 2,858 MJ/t pellets

Polvo 67.18 kg/t pellets

Flujo de masa Flujo de energía


Compost Pellets t/año 39,003 5,100 Humedad % 54% 8% KWh/año 11,994 1,001,554 KWh/t RFF 0.18 16.73 Diesel gal/año 21,935 0 $ USD/t $ 89 $ 141 $USD/año $ 3,454,875 $ 719,217 $USD Tecnología $ 109,800 $ 615,078

Comparación preliminar entre producción de compost y pellets para 20 t RFF/ h en PB (100% tusa)


4. Co-generación


Laguna Anaeróbica

Planta de Beneficio

Ver�miento

CH4, CO2

Efluente

Fibra

Tusa, Cáscara

Vapor

Tusa

Aceite 21 %

Almendra 5 %

Agua

Fibra

Electricidad CO2

2 0 % d e P B e n Co lombia �enen implementado este concepto



5. Con producción de biocarbon y recuperación de energía


Laguna Anaeróbica

Palm Oil Mill

Ver�miento

CH4, CO2

Efluente

Fibra

Tusa, Cascara

Vapor

Tusa

Aceite 21 %

Almendra 5 %

Agua

Fibra

CO2

Reactor pirólisis lenta

Biocarbon (5.7 %)

(Garcia-‐Nunez & Garcia-‐Perez, 2011)

Pyrolysis vapors gun

Jerry Whi�ield Company



Diseño y construcción por Whi�ield Bio-‐char LLC

Tecnologías de Pírólisis 50 kg/h Auger Pyrolysis at WSU

6. Con recuperación de nutrientes

Generación de Vapor

Laguna Anaeróbica

Planta de Beneficio

Ver�miento

CH4, CO2

Efluente

Fibra

Tusa, Cascara

Vapor

Tusa

Aceite 21 %

Almendra 5 %

Agua

Fibra

Electricidad CO2 CO2

Reactor Pirólisis Lenta Biocarbón (5.7 %)

Filtro Biocarbón

Biocabón enriquecido con N y P

Efluente

Vapores Pirólisis




7. Con producción de Biodiésel y Etanol


Laguna Anaeróbica

Palm Oil Mill

CH4, CO2 Fibra

tusa, Cáscara

Vapor

Tusa

Aceite 21 %

Almendra 5 %

Agua

Fibra


Hirólisis enzima�ca, FERMENTACION Y

SEPARACIÓN DE ETANOL

Etanol

Trans-‐esterificación

Biodiesel

Glicerol

Efluente

Lignina

Ver�miento Efluente



8. Con producción de lípidos microbianos


Laguna Anaeróbica

Planta de Beneficio

Ver�miento

CH4, CO2

Efluente

Fibra

tusa, Cáscara

Vapor

Tusa

Aceite 21 %

Almendra 5 %

Agua

Fibra


Hidrólisis Enzima�ca, FERMENTACION LIPIDOS

Y SEPARACION

Micro-‐organismos ricos en lipidos

Nuevo Aceite

Lignina




9. Con producción de derivados de lignina y fermentación de lípidos de anhidro azucares


Laguna Anaeróbica

Planta de Beneficio

Final Effluent

CH4, CO2

Efluente

Fibra

Tusa, Cáscara

Vapor

Tusa

Aceite

Almendra 5 %

Agua

Fibra


Reactor Pirólisis Rápida

Biocarbón (5.7 %)

Filtro Biocarbón

Biocarbón enriquecido con

N y P

Efluente

Gases Pirólisis

1st Condensados

2nd Condensados

Crude Bio-‐oil

Fase acuosa rica en

moleculas C1-‐C4 Extracción

de agua

Agua

Fermentación de Lípidos

Lipidos

Derivados de Lignina

Nuevo Aceite

Anhydrosugars



10. Con Hidrotratamiento derivados de lípidos y

lignina


Laguna Anaeróbica

Planta de beneficio

Ver�miento

CH4, CO2

Efluente

Fibra

Tusa, Cáscara

Vapor

Tusa

Aceite palma

Almendra 5 %

Agua

Fibra



Biocarbón (5.7 %)

Filtro Biocarbón

Biocarbón enriquecido con N and P

Efluente

Gases Pirólisis

1st Condensador

2nd Condensador

Bioaceite pesado

Fase acuosa rica en


agua

Agua

Fermentación Lípidos

Lipidos

Derivados Lignina

Nuevo aceite

Anhidroazucares

Hidrotratamiento y separacion

Combus�bles

Proteinas

H2



11. Con producción de hidrógeno


Laguna Anaeróbica

Palm Oil Mill

Ver�miento

CH4, CO2

Efluente

Fibra

Tusa, Cáscara

Vapor

Tusa

Aceite palma

Almendra 5 %

Agua

Fibra

Electricidad CO2


Biocarbón (5.7 %)

Filtro Biocarbón

Biocarbón enriquecido con N y P

Efluente

Gases Pirólisis

1st Condensador

2nd Condensador

Bioaceite pesado

Fase acuosa rica en


Agua

Agua

Fermentación Lípidos

Lipidos

Derivados Lignina

Nuevo aceite

Anhidroazucares

Hidrotratamiento y separacion

Combus�bles

Proteinas

H2 Reformado con

Vapor

H2 CO2



Metodología para cuan�ficar la eficiencia, Impacto Ambiental y Rendimiento economico de PB con Conceptos de Biorefinería

Sub-‐ru�na 1: Balance de

Masa y Energía Balances de Racimos de fruta fresca cosechados, Recolección y Transporte

Sub-‐ru�na 2: Balance de Masa y Energía de Planta de

Beneficio (Linea Base)

Reactor Pirólsis

Filtro Biocarbón

Bioaceites

Hidrólisis Enzima�ca

Fermentación Etanol

Fermentación Lipido

Turbina Vapor

Compostaje

Datos recolectados en

Planta de Beneficio Datos

recolectados en Plantación

Sub-‐ru�na 3: Simulación Códigos por Componentes

Sub-‐ru�na 4: Integrador de Componentes y línea base para

simular Conceptos de Biorefinería

Análisis Ciclo de Vida

Análisis Económico

Transesterificación

Hidrotreatamiento


TECHNICAL CRITERIA

Disponibilidad de Información Requerimientos Técnicos y Tecnológicos Escala Falta de Información Requerimientos de alta tecnología, alto costo y

suministros Conceptos teóricos y escala de laboratorio

Información disponible suficiente pero no es necesariamente aplicable al sector palmero

No hay mucha demanda de tecnologías y no usa suministros químicos

Escala piloto y demostración

Información disponible suficiente y aplicable al sector palmero

Requerimientos de baja tecnología Similares a las plantas industriales

CRITERIO ECONÓMICO

Reu�lización de productos en PB y plantación Oportunidades de Mercado Distancia entre facilidades y punto final de aplicación del producto

Los productos no son usados en PB o plantación Bajas oportunidades de mercado en el país Alta distancia

Parte de los productos es usado puede venderse a la industria.

Oportunidades medias de mercado en el país Distancia media

Todos los productos son usados en PB y plantación Altas oportunidades de mercado en el país Corta distancia

CRITERIO AMBIENTAL

Regulaciones Ambientales Disponibilidad de Informacion sobre “Impactos Ambientales" Avoidance of another contamina�on process

Regulaciones estrictas Falta de Información La nueva metodología aumenta las emisiones GEI por el proceso de línea base

Regulaciones flexibles Información disponible suficiente pero no es necesariamente aplicable al sector palmero

La nueva metodología no puede minimizar las emisiones GEI por el proceso de línea base pero la contribución no es considerable.

Pocas regulaciones Información disponible suficiente y aplicable al sector palmero

La nueva metodología puede minimizar las emisiones GEI por el proceso de línea base

CRITERIO SOCIAL Empleo Asocia�vidad Acceso a beneficios públicos

Trabajo informal No es excluyente Servicios precarios Trabajo Formal: digno y descente Alianza estrategica y produc�va Cobertura (mala calidad) Trabajo formal: mejora calidad de vida Negocios Incluyentes Cobertura (necesidades básicas industriales)

Matriz Desición


Tabla de Contenido

1.  Introducción




5.  Conclusiones


Conclusiones

-  Las plantas de beneficio del fruto de la palma de aceite tienen el potencial de convertirse en una biorefinería debido a la producción continua de biomasa durante todo el año y localizada en un mismo punto en donde existe infraestructura que puede ser utilizada.

-  Debido a la gran gama de alternativas de conceptos de biorefinería que pueden acoplarse a una PB, es necesario seguir una metodología que permita identificar desde el punto de vista técnico, ambiental, social y financiero la(s) mejor(es) opción(es) de negocio ha ser implementada.

-  Debido al florecimiento de alternativas de biorefinería es necesario estar revisando constantemente los avances tecnológicos para identificar rápidamente tecnologías que se vuelven viables.

Tabla de Contenido

1.  Introducción




5.  Conclusiones


Agradecimientos

-  Fondo de Fomento Palmero administrado por Fedepalma por el soporte del Programa de Procesamiento de Cenipalma.

-  Al Departamento de Bio-sistemas de Ingeniería de la Universidad Estatal de Washington (WSU), por el apoyo y la cofinanciación de esta investigación.

-  A Cenipalma, especialmente al grupo de trabajo del Programa de Procesamiento por su dedicación y profesionalismo durante todas las actividades desarrolladas.

biorefinerÍas, alternativa para el … · es una instalación que facilita los ... 0.18 na (mg kg...

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