Bioconversión de biomasa a combustibles mixtos de alcohol - Bioconversion of biomass to mixed alcohol fuels
La bioconversión de biomasa en combustibles de mezcla de alcohol se puede lograr mediante el proceso MixAlco. Mediante la bioconversión de la biomasa en un combustible de alcohol mixto , más energía de la biomasa terminará como combustible líquido que en la conversión de biomasa en etanol por fermentación de levadura .
El proceso implica un método biológico / químico para convertir cualquier material biodegradable (por ejemplo, desechos urbanos, como desechos sólidos municipales , desechos biodegradables y lodos de depuradora , residuos agrícolas como rastrojo de maíz , bagazo de caña de azúcar , basura de desmotadora de algodón , estiércol ) en útiles. productos químicos, como ácidos carboxílicos (p. ej., ácido acético , propiónico , butírico ), cetonas (p. ej., acetona, metiletilcetona , dietilcetona ) y biocombustibles , como una mezcla de alcoholes primarios (p. ej., etanol, propanol , n- butanol ) y / o una mezcla de alcoholes secundarios (por ejemplo, isopropanol , 2-butanol , 3-pentanol). Debido a los muchos productos que se pueden producir económicamente, este proceso es una verdadera biorrefinería .
El proceso utiliza un cultivo mixto de microorganismos naturales que se encuentran en hábitats naturales como el rumen del ganado, las tripas de las termitas y los pantanos marinos y terrestres para digerir anaeróbicamente la biomasa en una mezcla de ácidos carboxílicos producidos durante las etapas acidógena y acetogénica de la digestión anaeróbica . sin embargo con la inhibición de la etapa final metanogénica . Los métodos más populares para la producción de etanol y etanol celulósico utilizan enzimas que deben aislarse primero para agregarse a la biomasa y así convertir el almidón o la celulosa en azúcares simples, seguido de la fermentación de la levadura en etanol. Este proceso no necesita la adición de las enzimas que estos microorganismos producen.
Como los microorganismos digieren anaeróbicamente la biomasa y la convierten en una mezcla de ácidos carboxílicos, es necesario controlar el pH . Esto se hace mediante la adición de un agente tampón (por ejemplo, bicarbonato de amonio , carbonato de calcio ), produciendo así una mezcla de sales carboxilato . La metanogénesis , que es la etapa final natural de la digestión anaeróbica, es inhibida por la presencia de iones amonio o por la adición de un inhibidor (p. Ej., Yodoformo ). El caldo de fermentación resultante contiene las sales de carboxilato producidas que deben deshidratarse. Esto se logra de manera eficiente mediante la evaporación por compresión de vapor . Puede tener lugar un refinado químico adicional del caldo de fermentación deshidratado dependiendo del producto químico o biocombustible final deseado.
El agua destilada condensada del sistema de evaporación por compresión de vapor se recicla de nuevo a la fermentación. Por otro lado, si se utilizan aguas residuales sin tratar u otras aguas residuales con alta DBO que necesitan tratamiento como agua para la fermentación, el agua destilada condensada de la evaporación se puede reciclar de regreso a la ciudad oa la fuente original de alta. -BOD aguas residuales. Por lo tanto, este proceso también puede servir como una instalación de tratamiento de agua , mientras que produce valiosos químicos o biocombustibles.
Debido a que el sistema utiliza un cultivo mixto de microorganismos, además de no necesitar ninguna adición de enzima, la fermentación no requiere esterilidad ni condiciones asépticas, lo que hace que este primer paso del proceso sea más económico que en los métodos más populares para la producción de etanol celulósico. Estos ahorros en la etapa inicial del proceso, donde los volúmenes son grandes, permiten flexibilidad para más transformaciones químicas después de la deshidratación, donde los volúmenes son pequeños.
Ácidos carboxílicos
Los ácidos carboxílicos se pueden regenerar a partir de las sales de carboxilato utilizando un proceso conocido como "formación de ácido". Este proceso hace uso de una amina terciaria de alto peso molecular (por ejemplo, trioctilamina), que se cambia con el catión (por ejemplo, amonio o calcio). El carboxilato de amina resultante puede luego descomponerse térmicamente en la propia amina, que se recicla, y el ácido carboxílico correspondiente . De esta forma, teóricamente, no se consumen productos químicos ni se producen residuos durante este paso.
Cetonas
Hay dos métodos para producir cetonas. El primero consiste en convertir térmicamente las sales de carboxilato de calcio en las correspondientes cetonas. Este fue un método común para fabricar acetona a partir de acetato de calcio durante la Primera Guerra Mundial . El otro método para hacer cetonas consiste en convertir los ácidos carboxílicos vaporizados en un lecho catalítico de óxido de circonio .
Alcoholes
Alcoholes primarios
El residuo no digerido de la fermentación puede usarse en gasificación para producir hidrógeno (H 2 ). Este H 2 a continuación, se puede utilizar para hydrogenolyze los ésteres sobre un catalizador (por ejemplo, cromito de cobre), que son producidos por esterificación de cualquiera de las sales de carboxilato de amonio (por ejemplo, acetato de amonio , propionato, butirato) o los ácidos carboxílicos (por ejemplo, acético, propiónico, ácido butírico) con un alcohol de alto peso molecular (por ejemplo, hexanol , heptanol ). A partir de la hidrogenólisis, los productos finales son el alcohol de alto peso molecular, que se recicla de nuevo a la esterificación , y los correspondientes alcoholes primarios (por ejemplo, etanol, propanol, butanol).
Alcoholes secundarios
Los alcoholes secundarios (por ejemplo, isopropanol, 2-butanol, 3-pentanol) se obtienen hidrogenando sobre un catalizador (por ejemplo, níquel Raney) las cetonas correspondientes (por ejemplo, acetona, metiletilcetona, dietilcetona).
Biocombustibles directos
Los alcoholes primarios o secundarios obtenidos como se describe anteriormente pueden someterse a conversión en biocombustibles directos , combustibles que son compatibles con la infraestructura actual de combustibles fósiles, como biogasolina , diesel verde y combustible para bio-reactores. Esto se hace sometiendo los alcoholes a deshidratación seguida de oligomerización usando catalizadores de zeolita de una manera similar al proceso metanex , que solía producir gasolina a partir de metanol en Nueva Zelanda.
Ácido acético versus etanol
Las plantas de fabricación de etanol celulósico están destinadas a ser exportadoras netas de electricidad porque una gran parte de la biomasa lignocelulósica , a saber, la lignina , permanece sin digerir y debe quemarse, produciendo así electricidad para la planta y electricidad excedente para la red. A medida que el mercado crece y esta tecnología se generaliza, el acoplamiento de los mercados de combustible líquido y electricidad se volverá cada vez más difícil.
El ácido acético, a diferencia del etanol, se produce biológicamente a partir de azúcares simples sin la producción de dióxido de carbono :
Debido a esto, en masa, los rendimientos serán más altos que en la fermentación con etanol. Entonces, si el residuo no digerido (principalmente lignina) se utiliza para producir hidrógeno por gasificación, se asegura que más energía de la biomasa terminará como combustibles líquidos en lugar de un exceso de calor / electricidad.
En las páginas de combustible de alcohol y combustible de etanol se ofrece una descripción más completa de la economía de cada uno de los combustibles . En la página central de biocombustible se puede encontrar más información sobre la economía de varios sistemas .
Etapa de desarrollo
El sistema ha estado en desarrollo desde 1991, pasando de la escala de laboratorio (10 g / día) a la escala piloto (200 lb / día) en 2001. Se ha construido una pequeña planta de demostración a escala (5 toneladas / día) y está en operación y se espera una planta de demostración de 220 ton / día en 2012.