La biomasa crea nuevos retos para los fabricantes de equipamiento

Steen Riisgaard, Presidente y Director ejecutivo de la firma danesa Novozymes A/S, preguntado en una entrevista con EFCE si las tecnologías basadas en la biología pueden reemplazar a las tecnologías convencionales basadas en el petróleo, respondió que las posibilidades son ilimitadas. Dijo que no espera que en un futuro próximo podamos ver una economía totalmente basada en la biotecnología, pero que confía en que la industria química desarrolle plenamente las oportunidades existentes.

La biomasa y los mercados relacionados están en ascenso, lo cual se refleja en los niveles de inversión. El estudio Biomass Markets and Technologies, publicado por Pike Research a finales de 2010, proporcionó datos que respaldan esta opinión y predijo que la inversión mundial en el mercado de biomasa seguirá creciendo a un ritmo estable durante los cinco próximos años. Según este estudio, la inversión se incrementará desde 28.200 millones de dólares en 2010 a 33.700 millones de dólares en 2015.

La biomasa es la fuente de energía más antigua de la humanidad. La leña ha proporcionado calor a desde tiempo inmemorial. En cambio, la explotación de la biomasa como materia prima base es un descubrimiento más reciente. Según la Federación Alemana de Química (VCI), el consumo anual de biomasa en la industria química alemana es de aproximadamente 2,7 millones de toneladas, lo que supone cerca del 13% de la materia prima base de la industria. Los recursos fósiles: carbón, petróleo y gas, antes eran baratos, pero la actitud de la industria ha cambiado radicalmente.

La biomasa cubre un amplio espectro, tanto en términos de origen de los materiales como en los productos finales. La Asociación Europea de la Industria de la Biomasa (EUBIA) ha definido cuatro categorías de conversión de biomasa: combustión directa, procesos de conversión termoquímicos (pirólisis y gasificación), procesos bioquímicos (digestión anaerobia, fermentación) y fisicoquímicos (ruta para producción de biodiesel). La elección de una tecnología u otra depende de la composición química de las materias primas y del producto final.

De forma similar a las refinerías petroquímicas, las biorrefinerías transforman la biomasa para producir una serie de materias primas químicas y productos combustibles.

La mayor parte de los conceptos de biorrefinería integrada están aún en su primera infancia. En Alemania y el resto de Europa, las biorrefinerías son pocas y están muy alejadas entre sí. La mayoría son plantas piloto o de demostración y las biorrefinerías con un planteamiento comercial tienden a ser la excepción. En 2010 había siete biorrefinerías en Alemania y 121 en toda Europa. EEUU está desempeñando un papel de liderazgo en la construcción en la construcción y operación de biorrefinerías, y también en apoyo a la industria. Solamente el Programa de Biomasa del Departamento de Energía está patrocinando 29 biorrefinerías.

La cuestión de quién operará las biorrefinerías en el futuro es un asunto importante en Alemania. La industria química es reacia a asumir esta responsabilidad, por lo que los candidatos más probables son los parques químicos y la agroindustria.

El Centro Tecnológico de la VDI (Asociación de Ingenieros Alemanes) ha llevado a cabo un estudio para valorar hasta qué punto la biomasa y su utilización máxima en biorrefinerías puede reemplazar las técnicas convencionales de producción basadas en el petróleo. El estudio proporciona información sobre metodologías de producción de base biológica para 26 precursores (plataformas químicas). Hay claros indicios de que la producción está migrando hacia técnicas de base biológica en once de estos precursores. Por citar un ejemplo, la capacidad de producción de ácido succínico y ácido poliláctico (PLA) exclusivamente a partir de biomasa se está extendiendo por todo el mundo.

La biotransformación de la biomasa contenida en células vivas, o biocatálisis, empleando enzimas aisladas o sistemas de enzimas está ampliamente extendida en la industria de la biotecnología blanca, en la que se utiliza una gran variedad de microorganismos para la biotransformación, siendo los más comunes la levadura, Escherichia coli y Corynebacterium glutamicum. Varias hexosas (azúcares C6), tales como la glucosa y la fructosa, sirven como precursores que, por ejemplo, pueden ser aislados de la biomasa a través de un pretratamiento hidrolítico. Sin embargo, se necesita una metodología diferente para la lignocelulosa, para separar del azúcar la lignina no fermentable. Actualmente, la biomasa lignocelulósica pasa a través de un pretratamiento mecánico o químico en el que se utilizan ácidos, derivados del fenol o vapor caliente y, cada vez más, un pretratamiento hidrolítico-catalítico con celulasas. La hemicelulosa recuperada de la lignocelulosa tiene un alto contenido de pentosa (azúcar C5), por ejemplo la xilosa, y son necesarios microorganismos particulares para descomponer estas sustancias.

Para lanzar una producción a escala industrial basada en la biomasa que sea rentable y competitiva será preciso superar una serie de obstáculos técnicos.

Los retos empiezan en la propia manipulación, debido a la propia naturaleza de la biomasa, pues hay que cosechar, transportar y procesar grandes cantidades de material. Los enormes volúmenes no son el único desafío para la industria: la diversidad es otro problema que también hay que abordar. El término biomasa va más allá de los sólidos secos al por mayor, como el maíz y las virutas de madera, e incluye líquidos de alta viscosidad como los lodos de aguas negras y el estiércol líquido. Dado este alto nivel de diversidad, se requieren distintas técnicas para trasladar la biomasa al destino deseado.

La logística no es la única área en la que se necesitan soluciones especiales. La biomasa debe almacenarse entre el momento de su recepción y el procesamiento industrial. La combustión espontánea ha sido un problema recurrente con las virutas de madera y está causada por la descomposición microbiana de la madera. La mala conductividad térmica de los materiales al por mayor tiende a catalizar el proceso, produciendo con frecuencia combustión lenta o incluso llamas abiertas.

Además de las reacciones de oxidación química, que son el factor exotérmico más importante en todo el proceso, la Agencia Alemana de Investigación y Análisis de Materiales (BAM) ha señalado que los procesos físicos y microbiológicos desempeñan también un papel relevante en la gestión del calor en la biomasa al por mayor. La información ha sido publicada en las directivas de almacenamiento de masa para prevención de incendios de la Agencia. Por ejemplo, la absorción de agua en la superficie de sólidos relativamente secos también eleva la temperatura cuando se libera calor de absorción.

La necesidad de extremar las precauciones no se limita a la biomasa seca. Existe normativa sobre la acumulación y gestión del agua que también es aplicable al almacenamiento de estiércol líquido comercial, para garantizar que cualquier líquido que se pierda no vaya a parar al sistema de alcantarillado o, peor aún, a las aguas subterráneas.

Tras la conversión, los productos suelen estar muy diluidos, a menudo en forma de mezclas complejas de productos con componentes muy similares entre sí. Los productos contienen también diversos residuos y productos de desecho. Las soluciones de fermentación, cultivos de células y extractos de plantas son ejemplos típicos.

Otro gran reto es la purificación y los procesos secundarios para alcanzar los estándares químicos. Normalmente se trabaja con grandes cantidades de solución acuosa y, con frecuencia, el producto tiene que ser aislado del organismo que lo genera. La extracción del producto de un caldo de fermentación supone a menudo hasta el 80% de los costes de producción, lo que convierte esta fase en el principal factor de coste de la producción biotecnológica. Entre los desafíos tecnológicos adicionales cabe citar el desarrollo de nuevos catalizadores y biocatalizadores específicos.

La inhibición del producto durante la fermentación puede ser otro problema si las altas concentraciones de producto no son favorables a los organismos involucrados. Metodologías innovadoras como el aislamiento del producto in situ o el diseño de procesos de bajo pH pueden ser la respuesta.

La elevación a nivel industrial del entorno del laboratorio también puede causar problemas porque es necesario combinar los procesos de base biológica con técnicas químicas convencionales. La producción química híbrida es esencial, sobre todo durante las primeras etapas del desarrollo. En China y Estados Unidos se está trabajando exhaustivamente con succinato de polibutileno. El proceso combina fermentación biológica con hidrogenación química.

En la fermentación anaeróbica de residuos y otras biomasas, se explota el metabolismo natural de los microorganismos para convertir los sustratos en biogás.

La composición de los sustratos sólidos tiene una enorme influencia en el proceso de fermentación de las plantas de biogás. De forma creciente, las materias primas estándar, como el ensilado de maíz, se sustituyen por otros sustratos alternativos como estiércol, hierba, paja o, más recientemente, remolacha azucarera. La descomposición de aglomerados y el desmenuzado de sólidos incrementan la superficie activa, con lo que las bacterias del proceso pueden actuar más rápidamente sobre los nutrientes. Además, se puede lograr una distribución más rápida y homogénea en la fase líquida si los sustratos han sido desmenuzados. Esto ofrece ventajas fundamentales para todo el proceso:

• Mayor producción de gas / reducción del tiempo medio de estancia en el fermentador
• Reducción de la carga en agitadores y bombas
• Mejora la composición del residuo de fermentación.

La asociación de seguros de accidentes de la industria química (BG Chemie detectó y evaluó deficiencias en el 80% de las plantas de biogás. El hecho de que las plantas de biogás produzcan metano, un gas inflamable y explosivo, era fuente de preocupación. También se generan otros productos intermedios y finales potencialmente críticos, como dióxido de carbono y sulfuro de hidrógeno.

Los errores de diseño y los defectos del material pueden causar accidentes cuando las partes estructurales no resisten la presión de la biomasa o el gas.

Las plantas de cogeneración, y los motores de gas en particular, figuran entre los puntos problemáticos potenciales. La introducción de sólidos por medio de bombas es otra fuente de problemas.

Las plantas de biogás operan en el límite de la viabilidad comercial. Los problemas técnicos y las interrupciones del proceso causan un aumento del tiempo de inactividad o altos costes de reparación, que pueden tener graves consecuencias económicas para las plantas. La acumulación incontrolada de espuma es una de las causas más frecuentes de problemas de funcionamiento en este tipo de plantas. La espuma puede provocar paradas y causar fallos en los reactores de biogás. Entre la lista de problemas relacionados con la espuma cabe mencionar la formación de costra en las paredes del reactor, fallos en las compuerta, contaminación y obstrucción en conductos de gas, líneas de condensación y bombas de recirculación, acumulación excesiva de espuma y parada total de la producción. La fabricación de gas desciende y, consecuentemente, también el margen de beneficio.

El centro de investigación medioambiental Helmholtz está explorando el desarrollo de un sistema de aviso precoz que prediga y evite incidencias provocados por la espuma. Se están examinando muestras de sustrato de varias plantas de biogás para caracterizar mejor la espuma que se forma en las plantas de biogás, y se están analizando muestras de plantas que mantienen un nivel de funcionamiento estable y que no producen espuma, para que sirvan de referencia. Todos los datos se introducen en una base de datos para poder utilizar más adelante esta información para determinar causalidades y hacer predicciones basadas en los patrones que se detecten.

La Universidad de Hohenheim está desarrollando un proceso totalmente nuevo para la producción de biogás con categoría de gas natural. Lo que hace que este método sea diferente es el hecho de que las bacterias metanógenas que son responsables de la producción de biogás se emplean también para mantener los niveles de presión y pureza que son necesarios para obtener biogás con categoría de gas natural. Los investigadores de la Universidad están desarrollando un sistema especial de instrumentación y control para este fin. Se eliminan las necesidades de purificación y compresión posterior del gas, lo cual reduce hasta en un 40% los costes energéticos. El siguiente paso será construir en Hohenheim un prototipo del nuevo sistema.

El nuevo proceso podría dar un gran impulso a la producción de biogás. La mayor parte de los costes energéticos actuales se eliminarían y, a diferencia del proceso convencional, las pequeñas plantas serían económicamente viables. La inversión total es sustancialmente inferior porque no hay que elevar la calidad del gas.

Siemens está trabajando en sistemas de instrumentación y control diseñados para mejorar la gestión del proceso y la eficiencia de las planta en la industria del biogás. Cuando se hace fermentar la biomasa para fabricar metano se producen ácidos. Si la concentración de ácido es demasiado alta, el proceso alcanza un punto crítico en el que hay que limpiar y reiniciar el sistema. Actualmente, los operadores toman muestras periódicamente del depósito para analizarlas en laboratorio.

Como no se conoce el contenido real de ácido en el fermentador en un momento dado, muchos usuarios dejan un amplio margen de seguridad, lo que significa que tienen que aceptar grandes pérdidas.

La espectroscopía de infrarrojos puede solucionar este problema. Las moléculas emiten unos espectros característicos al exponerlos a radiación infrarroja. Los espectros proporcionan información sobre los enlaces químicos, que puede ser utilizada para determinar la presencia de elementos o grupos químicos específicos. Los instrumentos desarrollados por Siemens emiten luz infrarroja dentro del fermentador a través de una ventana de cristal, con el fin de detectar el contenido de ácido. Con ello se elimina el riesgo de alcanzar niveles excesivos y los usuarios pueden utilizar plenamente el potencial de sus sistemas de producción. Los expertos calculan que la producción de energía se incrementará entre un 5 y un 10%.

Stephan Prechtl y Martin Faulstich (Centro de Desarrollo de ATZ) han publicado un estudio que resalta otro reto muy significativo para los fabricantes de equipos. Las películas de biomasa colonizan las superficies de metal, piedra natural, hormigón y plástico de los equipos utilizados para el procesamiento de biomasa o la generación de electricidad a escala industrial.

Muchos sistemas de biogás agrícola son de hormigón y emplean agitadores mecánicos para mezclar. El sulfuro de hidrógeno y sus subproductos (ácidos sulfurosos y ácido sulfúrico) que se forman durante la descomposición microbiológica anaerobia del sustrato causan con frecuencia corrosión de la estructura y de elementos del equipo, como agitadores, intercambiadores de calor y sistemas de cogeneración. La técnica más frecuente para reducir el contenido de sulfuro de hidrógeno en el biogás es la desulfurización biológica directamente en el fermentador. La desulfurización microbiológica es un proceso muy simple, los costes de capital y de funcionamiento son bajos y la técnica se utiliza en la mayoría de los sistemas. En condiciones óptimas, el índice de desulfurización puede llegar al 95%.

Los depósitos de azufre elemental pueden causar problemas de obstrucción en las tuberías. Las concentraciones fluctuantes de gas crudo tienen efectos negativos sobre la desulfurización microbiológica directamente en la cámara del fermentador.

Con frecuencia, los daños por corrosión se pueden evitar seleccionando un método más adecuado de desulfurización del gas. En la práctica se utilizan las siguientes técnicas, pero para cada aplicación específica hay que evaluar la idoneidad técnica, así como la inversión de capital y los costes de funcionamiento de las distintas opciones.

• Precipitación añadiendo directamente sal férrica
• Lavado cáustico
• Adsorción sobre cuerpos ricos en hierro
• Adsorción sobre carbón activado
• Desulfurización biológica externa en un reactor separado.

Se calcula que hay unas 7000 plantas de biogás en Alemania y muchas de ellas han estado funcionando durante años sin interrupción. La mayor parte del equipo de estas plantas ha dejado de ser tecnología de vanguardia. Las piezas vulnerables se están desgastando y los expertos predicen una repotenciación masiva, por ejemplo con instrumentación y sistemas de control avanzados para facilitar la gestión del proceso. Se sustituirán las piezas vulnerables que están sujetas a gran fatiga (por ejemplo, agitadores, unidades de alimentación y plantas de cogeneración).

La formación de alquitrán es un problema asociado a la producción de gas sintético a partir de biomasa. Las principales dificultades radican en el suministro de biomasa sin problemas, el alto contenido de alquitrán y coque en la mezcla de producto y el coste y esfuerzo de enriquecimiento del gas.

El principal problema asociado al uso de biomasa para aplicaciones de motor Stirling es la transferencia eficiente de calor desde el gas efluente de combustión de biomasa al gas que trabaja en el motor Stirling.

El intercambiador de calor del gas caliente sirve de interfase entre el gas efluente y el de trabajo. Para garantizar una alta eficiencia eléctrica, la temperatura del gas efluente en la entrada del intercambiador de calor debe ser lo más alta posible, pero esto puede causar problemas por los depósitos de ceniza en esta parte del sistema. Para solucionar este problema se ha desarrollado un programa informático para calcular la transferencia de calor en el lado de gas efluente del intercambiador de calor de gas caliente. Tras un trabajo exhaustivo de ingeniería y diseño ha mejorado sensiblemente la eficiencia de estos componentes del sistema y ahora se dispone también de un filtro de lavado automático para el intercambiador de calor.

Usando una técnica de revestimiento basada en nanotecnología, el Proyecto Nanostir está abordando el problema de una forma diferente. El objetivo es eliminar o reducir enormemente durante un largo periodo de tiempo la formación de escoria en el cabezal de gas caliente.

La industria química está trabajando de forma intensiva en el desarrollo de materias primas y fuentes de energía de base biológica. Al igual que sucede con la tecnología convencional, no todas las técnicas desarrolladas en laboratorio se pueden aplicar a escala industrial. En Achema 2012, celebrada del 18 al 22 de junio de 2012 en Frankfurt am Main, Alemania, los expositores mostraron nuevas estrategias de proceso, mejores catalizadores y productos innovadores susceptibles de mejorar los costes y la eficiencia de la conversión de biomasa para la producción de energía y materias primas.