Transformación+de+la+Biomasa

Procesos de transformación de la biomasa en energía
Las características de gran parte de la biomasa hacen que en la mayoría de los casos no sea adecuada como tal para reemplazar a los combustibles convencionales, por lo que es necesaria una transformación previa de la biomasa en combustibles de mayor densidad energética y física, contándose para ello con diversos procedimientos, que generan una gran variedad de productos. Los combustibles así obtenidos cuentan con las siguientes ventajas: Así proceda de residuos o de cultivos energéticos, la biomasa generalmente se transforma en calor, combustibles o electricidad, que conducen a la forma de energía útil requerida en cada caso. Algunos combustibles pueden obtenerse de la biomasa directamente por extracción (plantas productoras de hidrocarburos), pero es más frecuente someter la biomasa a distintas manipulaciones, según su naturaleza y contenido en humedad, para su transformación en combustibles. Estas transformaciones pueden dividirse en dos grupos (Figura 4.2):
 * Presentan escaso contenido en azufre
 * No forman escorias en su combustión
 * Tienen bajo contenido en cenizas
 * Contribuyen a mejorar la calidad del medio ambiente
 * **Procesos termoquímicos:** aplicación de elevadas temperaturas con exceso de oxígeno (combustión), en presencia de cantidades limitadas de oxígeno (gasificación) o en ausencia del mismo (pirólisis); los materiales más idóneos son los de bajo contenido en humedad (madera, paja, cáscaras, etc.) y se generan mezclas de combustibles sólidos, líquidos y gaseosos
 * **Procesos bioquímicos: s**e llevan a cabo mediante diversos tipos de microorganismos, que degradan las moléculas complejas a compuestos simples de alta densidad energética; se utilizan para biomasa de alto contenido en humedad, siendo los más corrientes la fermentación alcohólica para producir etanol y la digestión anaerobia, para la producción de metano

1.a Extracción de hidrocarburos
Numerosas especies vegetales producen en su metabolismo hidrocarburos o compuestos afines, de elevado poder calorífico. Estos se pueden extraer de forma directa según se muestra en el esquema general de la Figura 4.3, aunque según la especie vegetal puede variar el tratamiento previo, los disolventes utilizados a lo largo del proceso (y que hay que reciclar) y, por supuesto, las diferentes fracciones obtenidas al final de cada operación.

1.b Combustión
La combustión directa u oxidación completa para dar dióxido de carbono, agua, cenizas y calor (único componente energético útil del proceso), es el sistema más elemental para la recuperación energética de la biomasa. Los factores más importantes a considerar en este proceso son: La combustión se realiza normalmente en sistemas que constan de las siguientes unidades (Figura 4.4): La energía obtenida puede destinarse a la producción de calor (en forma de agua o de aire caliente) para el uso doméstico o industrial y a la producción de electricidad. La eficacia térmica de la combustión es elevada, siendo el rendimiento global del proceso del 30%. Este método se utiliza en la actualidad en las industrias azucarera, papelera y de derivados de la madera, siendo cada vez más importante su aplicación a las basuras urbanas. Es necesario destacar finalmente la combustión en el ámbito doméstico, utilizada desde hace ya muchos años y actualmente de nuevo en gran auge. Los modernos diseños de estufas de leña proporcionan un mejor aprovechamiento del calor y una emisión de humos mucho menor que los sistemas convencionales.
 * Exceso de oxígeno: 20 - 40% superior al teórico
 * Temperatura de combustión: 600 - 1.300 °C
 * Características del combustible:
 * Físicas: densidad, tamaño y humedad (la menor posible)
 * Químicas: bajo contenido en azufre
 * Térmicas: dependen de las físicas y las químicas
 * Horno
 * Equipo de recuperación de calor (caldera)
 * Sistema de utilización de la energía (conducción de vapor, turbogenerador)

1.c Gasificación
Bajo este nombre se engloban los procesos de combustión en condiciones de defecto de oxígeno, con producción de monóxido de carbono, dióxido de carbono, hidrógeno y metano, en proporciones diversas según la composición de la materia prima y las condiciones del proceso. La temperatura de operación oscila entre 700 y 1.500 °C y el oxígeno se limita entre un 10 y un 50% del teóricamente necesario para una combustión completa. Según se utilice aire u oxígeno puro, se desarrollan dos procesos de gasificación sustancialmente distintos, en cuanto a la posible utilización de los productos obtenidos (Figura 4.5). Así, se obtiene gas de gasógeno o "gas pobre" mediante una gasificación con aire de biomasa seca, gas que ha de utilizarse en unidades de combustión para obtener electricidad y vapor. Por otro lado, cuando se opera en un gasificador con oxígeno y vapor de agua, se obtiene gas de síntesis. La importancia de este gas radica en que se puede transformar en combustibles líquidos (metanol y gasolinas), por lo que se están haciendo grandes esfuerzos tendentes a mejorar el proceso de gasificación con oxígeno.

1.d Pirólisis
Consiste en la descomposición de la biomasa por la acción del calor (a unos 450 °C) en ausencia de oxígeno, proceso en el que la naturaleza y la composición de los productos finales dependen de las propiedades de la biomasa tratada, de la temperatura y presión de operación y de los tiempos de permanencia del material en la unidad de pirólisis. Así, los productos obtenidos se pueden clasificar en tres grandes grupos: > Las materias primas que se estudian actualmente para someterlas a este proceso son los subproductos agrícolas y forestales y los residuos sólidos urbanos; precisamente, las mejores perspectivas de tratamiento de los residuos sólidos urbanos se encuentran en el campo de la pirólisis, orientándose las directrices de tratamiento respecto a la obtención de productos hacia los líquidos y los sólidos. > Para obtener combustibles líquidos y carbón se requiere una alimentación seca que se somete a un tratamiento como el indicado en el esquema de la Figura 4.6. Con objeto de mejorar los rendimientos en combustibles líquidos se están estudiando los procesos llamados de "licuefacción", que son variantes de la pirólisis con adición de un gas reductor (monóxido de carbono, hidrógeno o gas de síntesis) a temperaturas entre 300 y 500 °C y a alta presión. > En definitiva, la pirólisis parece ser un buen método para la obtención de energía a partir de biomasa seca y, quizás, el mejor para convertir los residuos sólidos urbanos en compuestos de interés económico. Aún queda un largo camino por recorrer, pero las investigaciones en marcha permiten contemplar un futuro muy interesante en la aplicación de la pirólisis como procedimiento para convertir la biomasa en energía útil.
 * Gases compuestos por hidrógeno, óxidos de carbono e hidrocarburos
 * Líquidos hidrocarbonados
 * Residuos sólidos carbonosos

2.a Fermentación alcohólica
Las plantas almacenan la energía solar captada en forma de hidratos de carbono simples (azúcares) o complejos (almidón o celulosa), a partir de los cuáles se puede obtener alcohol por fermentación, siguiendo diferentes etapas en función del tipo de biomasa de partida. Estas etapas son las siguientes (Figura 4.7): De todas las etapas indicadas, los procesos de destilación son los de mayor coste, debido a su consumo de energía. El etanol obtenido tiene numerosas aplicaciones industriales como disolvente y como combustible. En este aspecto se ha estudiado el etanol como sustitutivo de la gasolina, habiéndose determinado las siguientes propiedades relativas: Estas características muestran que el etanol y la gasolina no son combustibles intercambiables. Sin embargo, se pueden hacer las siguientes modificaciones en un motor de gasolina que ha de trabajar con etanol: En estas condiciones se consigue un 15% de incremento de potencia y menos emisiones de monóxido de carbono, pero a costa de un consumo alrededor de un 20% superior. También se puede usar etanol absoluto (ya que el agua causaría problemas de miscibilidad) para añadirlo a la gasolina, mezcla conocida como "gasohol" (10% de etanol). Ello permite reducir la adición de compuestos de plomo y evitar tratamientos adicionales para mejorar la calidad de la gasolina, pudiéndose utilizar esta mezcla en un motor convencional. El que no exista suficiente producción de etanol, unido a la necesidad de motores especiales aconsejaría, de momento, el uso de gasohol para ahorrar energía convencional mediante el uso de energía de la biomasa. Sin embargo, el futuro en este campo es alentador, principalmente si se consigue mejorar la economía del proceso.
 * Pretratamiento de la biomasa: transformación de la materia prima para favorecer la fermentación por medio de trituración, molienda o pulverización
 * Hidrólisis: transformación, en medio acuoso, de las moléculas complejas en azúcares sencillos por medio de enzimas (hidrólisis enzimática) o mediante el uso de reactivos químicos (hidrólisis química)
 * Fermentación alcohólica: conversión de los azúcares en etanol por la acción de microorganismos (levaduras) durante 2 a 3 días bajo condiciones controladas:
 * Temperatura: 27 - 32 °C
 * Acidez: pH entre 4 y 5
 * Concentración de azúcares: inferior al 22%
 * Concentración final de etanol: inferior al 14%
 * Separación y purificación del etanol: destilación de la masa fermentada para obtener etanol comercial del 96% o destilación adicional con un disolvente (benceno) para obtener etanol absoluto (99,5%)
 * Poder calorífico menor: menor potencia y mayor consumo
 * Calidad antidetonante mayor (mayor índice de octano): mayor aceleración y velocidad punta
 * Calor de vaporización mayor: dificultades en el arranque pero mayor rendimiento
 * Punto de ebullición constante: problemas de arranque
 * Aumento de la relación de compresión
 * Recalibrado del carburador
 * Calentamiento del aire de entrada al carburador
 * Modificación del sistema de encendido
 * Uso de bujías especiales

2.b Digestión anaerobia
La digestión anaerobia es una fermentación microbiana en ausencia de oxígeno que da lugar a una mezcla de gases (principalmente metano y dióxido de carbono), conocida como "biogás" y a una suspensión acuosa o "lodo" que contiene los componentes difíciles de degradar y los minerales inicialmente presentes en la biomasa. La materia prima preferentemente utilizada para someterla a este tratamiento es la biomasa residual con alto contenido en humedad, especialmente los residuos ganaderos y los lodos de depuradora de aguas residuales urbanas. Aunque la digestión anaerobia es un proceso ampliamente conocido en la práctica, se posee en la actualidad una información muy limitada sobre su química y su microbiología. Sin embargo, se puede afirmar en líneas generales que la digestión anaerobia se desarrolla en tres etapas (Figura 4.8) durante las cuáles la biomasa se descompone en moléculas más pequeñas para dar biogás como producto final, por la acción de diferentes tipos de bacterias. Las variables que influyen en el proceso son las siguientes: El proceso, cuyo esquema se muestra en la Figura 4.9, se lleva a cabo en recipientes estancos llamados "digestores", que deben permitir la carga y descarga de materiales y poseer un dispositivo para recoger el gas producido. Las características principales de un digestor son las siguientes: El producto principal de la digestión anaerobia es el biogás, mezcla gaseosa de metano (50 a 70%) y dióxido de carbono (30 a 50%), con pequeñas proporciones de otros componentes (nitrógeno, oxígeno, hidrógeno, sulfuro de hidrógeno), cuya composición depende tanto de la materia prima como del proceso en sí. La cantidad de gas producido es muy variable, aunque generalmente oscila alrededor de los 350 l/kg de sólidos degradables, con un contenido en metano del 70%. Aunque su potencia calorífica no es muy grande, puede sustituir al gas ciudad con ventaja, utilizándose en las siguientes aplicaciones: Por su parte, el efluente de la digestión está compuesto por diveros productos orgánicos e inorgánicos y se puede utilizar tanto en la fertilización de suelos, con excelentes resultados, como en alimentación animal, aspecto aún en vías de investigación.
 * Temperatura: se encuentra un óptimo de funcionamiento alrededor de los 35 °C
 * Acidez: determina la cantidad y el porcentaje de metano en el biogás, habiéndose encontrado que el valor óptimo de pH oscila entre 6,6 y 7,6
 * Contenido en sólidos: se suele operar en mejores condiciones con menos de un 10% en sólidos, lo que explica que la biomasa más adecuada sea la de alto contenido en humedad
 * Nutrientes: para el crecimiento y la actividad de las bacterias, éstas tienen que disponer de carbono, nitrógeno, fósforo, azufre y algunas sales minerales
 * Tóxicos: aparte del oxígeno, inhiben la digestión concentraciones elevadas de amoníaco, sales minerales y algunas sustancias orgánicas como detergentes y pesticidas
 * Tamaño: determinado por tres variables interdependientes:
 * Concentración de sólidos degradables
 * Velocidad de alimentación de sólidos
 * Tiempo de permanencia de los sólidos en el digestor
 * Tipo: existen diversos tipos de digestores, algunos de los más representativos se muestran en la Figura 4.10
 * Fuente de calor (cocina, alumbrado)
 * Combustión en calderas de vapor para calefacción
 * Combustible de motores acoplados a generadores eléctricos

**Fuente: http://www.grupoblascabrera.org/ter/bioma/bioma03.htm**