La pirolisis de biomasa: un clásico revitalizado

La pirolisis es una trasformación termoquímica conocida desde la antigüedad, que en los últimos años ha despertado un renovado interés en la comunidad científica, ya que proporciona una opción viable para transformar los residuos agrícolas y forestales en combustibles líquidos de manera rentable, y de forma descentralizada.

[Juan M. Coronado – IMDEA Energía]

La lignocelulosa es, con diferencia, el tipo de biomasa terrestre más abundante, barata y de crecimiento más rápido. Desde un punto de vista químico, este componente estructural de las plantas es un material muy complejo, que está constituido por tres compuestos principales: celulosa (un polímero cristalino de glucosa), hemicelulosa (un polímero heterogéneo de hexosas y pentosas) y lignina (un polímero muy entrelazado de fenoles sustituidos). Al contrario que los aceites vegetales, estos biopolímeros son bastante inertes químicamente, y tienen mucho mayor contenido de oxígeno (O/C ≈ 1). La lignocelulosa se encuentra en abundancia en los residuos de la agricultura y la silvicultura (restos de poda, aserrín, paja de cereales…). Por lo tanto, su posible uso para generación de combustibles no interfería con la producción de alimentos, y podría contribuir a aumentar la rentabilidad de la agricultura en muchas zonas rurales. Estimaciones conservadoras de la capacidad de producción de este tipo de biomasa residual indican que solo en los Estados Unidos podrían estar disponibles unos 349 millones de toneladas/año, y se podrían obtener 149 millones de toneladas/año adicionales empleando cultivos  específicos en tierras marginales de baja calidad [1]. En el caso de España, hay un gran potencial para el aprovechamiento energético de residuos forestales (estimado en más de 30 millones de toneladas/año), que se pueden obtener principalmente en la franja norte del país, fundamentalmente a partir de plantaciones de árboles de crecimiento rápido [2].

No obstante, para emplear la biomasa lignocelulósica como materia prima para la producción de biocombustibles líquidos es necesario reducir la complejidad de estos biopolímeros, y transfórmalos en moléculas más simples. Dejando aparte los procesos enzimáticos para la obtención de bioetanol, las tecnologías actuales para convertir lignocelulosa en combustibles líquidos implican principalmente dos procesos termoquímicos: gasificación, y pirólisis. De entre ellos, la gasificación probablemente proporciona probablemente la ruta más flexible para obtener combustibles químicamente equiparables a los obtenidos a partir de recursos fósiles. En la gasificación la biomasa se convierte en un proceso a temperatura elevada en gas de síntesis (CO + H₂), que posteriormente pueden transformarse en una amplia variedad de hidrocarburos por medio de la síntesis Fischer–Tropsch. Una de las principales ventajas de este proceso es que prácticamente cualquier tipo de biomasa puede ser empleada, aunque la presencia de un importante porcentaje de impurezas y subproductos en la corriente de salida, así como una relación de CO/H₂ insuficiente obliga a realizar tratamientos adicionales para acondicionar los gases. Como consecuencia la implantación de esta tecnología requiere desarrollar grandes plantas de producción de biocombustibles.

Evolución anual del número de publicaciones científicas relacionadas con la pirolisis de la biomasa.

Por el contrario, la pirólisis es un proceso bastante simple y fiable, que permite el desarrollo de unidades de producción rentable en pequeña escala, capaces de procesar eficientemente unas pocas toneladas de biomasa por día [3]. Como consecuencia existe un creciente interés en los últimos años por estos  tratamientos, como se pone de manifiesto en la figura superior, que muestra la evolución en los últimos años del número de artículos científicos relacionados con diferentes aspectos de la pirólisis de biomasa. Esta tecnología fue optimizada en la década de 1970 para maximizar el rendimiento de productos líquidos, dando lugar a lo que se conoce como pirolisis flash. En este proceso, la biomasa es tratada en  condiciones anóxicas (sin oxígeno) a temperaturas de 400–650 ºC, con una velocidad de calentamiento muy elevada, (10³–10⁴ C. s^-1), seguido por la rápida condensación de los vapores. Carbón (biochar) y bio-aceites (hasta un 80% de rendimiento) son los principales productos del proceso [4]. Los bio-aceites son líquidos de color marrón oscuro, corrosivos y con olor a humo, que están formados por compuestos orgánicos polares (ca. 75–80 wt %) y agua (aprox. 20 a 25 wt %). La composición química de los bio-aceites es muy compleja, ya que están constituidos por  una mezcla de más de 400 compuestos altamente oxigenados, incluyendo ácidos carboxílicos, alcoholes, aldehídos, ésteres, cetonas y especies aromáticas, junto con algunos carbohidratos poliméricos y fragmentos de lignina [5]. Los bio-aceites retienen hasta un 70% de la energía almacenada en la biomasa (16 MJ/Kg^-1) pero presentan numerosos inconvenientes para su uso directo como combustibles. Entre ellas cabe destacar su elevada acidez (pH = 2-3), alta viscosidad (cP 35–1000 a 40 ° C), y reducida estabilidad química. En consecuencia, el mayor reto tecnológico de esta tecnología es desarrollar rutas eficientes para refinar los bio-aceites y transformarlos en biocombustibles de altas prestaciones. Para ello, se están investigando actualmente distintas rutas catalíticas orientadas a reducir el contenido de oxígeno de los bio-aceites y aumentar su poder calorífico y estabilidad.

References

1.         N.R. Singh, W. N. Delgass, F. H. Ribeiro, R. Agrawal Environ. Sci. Technol. 44 (2010) 5298

2.         A. Gómez, J, Zubizarreta, M. Rodrigues, C. Dopazo, N. Fueyo, Resour. Conserv. Recy. 54 (2010) 972

3.         Y.-C. Lin and G. W. Huber, Energy Environ. Sci., 2 (2009) 68

4.         A.V. Bridgwater, G.V.C. Peacocke, Energy Fuels, 18(2) (2004) 590-598

5.         L. Tock, M. Gassner and F. Maréchal, Biomass Bioenergy, 34(12) (2010)  1838