La bioconversión de biomasa en combustibles de mezcla de alcohol se puede lograr mediante el proceso MixAlco. A través de la bioconversión de biomasa en un combustible de alcohol mixto , más energía de la biomasa terminará como combustibles líquidos 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 alcantarillado , residuos agrícolas como rastrojo de maíz , bagazo de caña de azúcar , basura de desmotadora de algodón , estiércol ) en útiles. productos químicos, como ácidos carboxílicos (por ejemplo, ácido acético , propiónico , butírico ), cetonas (por ejemplo, acetona, metiletilcetona , dietilcetona ) y biocombustibles, como una mezcla de alcoholes primarios (por ejemplo, etanol, propanol , n- butanol ) y / o una mezcla de alcoholes secundarios (por ejemplo, isopropanol , 2-butanol , 3-pentanol). Debido a la gran cantidad de productos que se pueden producir económicamente, este proceso es una verdadera biorrefinería . [1] [2] [3]
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. [4]
Como los microorganismos digieren anaeróbicamente la biomasa y la convierten en una mezcla de ácidos carboxílicos, se debe 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 . Entonces 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 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 productos 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 condiciones de esterilidad o 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 parte 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 utiliza 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. [5]
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 . [6] El otro método para fabricar cetonas consiste en convertir los ácidos carboxílicos vaporizados en un lecho catalítico de óxido de circonio . [7]
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), [8] 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, , ácido acético, propiónico, butírico) con un alcohol de alto peso molecular (por ejemplo, hexanol , heptanol ). [9] 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). [10]
Biocombustibles directos
Los alcoholes primarios o secundarios obtenidos como se describió 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 bioaviones . 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. [11]
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. [ cita requerida ]
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 usa 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. [12]
Una descripción más completa de la economía de cada uno de los combustibles se da en las páginas de combustible de alcohol y combustible de etanol , más información sobre la economía de varios sistemas se puede encontrar en la página central de biocombustible .
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 se en operación y se espera una planta de demostración de 220 ton / día en 2012.
Ver también
- Digestión anaeróbica
- Biorreactor
- Tratamiento biológico mecánico
Referencias
- ↑ Advanced Biomass Refinery - Third-Generation 2007 (video) Archivado el 1 de julio de 2010 en Wayback Machine.
- ^ Presentación de la EPA sobre el proceso [ enlace muerto permanente ]
- ^ Aplicación
- ^ FK Agbogbo, MT Holtzapple (23 de agosto de 2005). "Fermentación en lecho fijo de paja de arroz y estiércol de pollo utilizando un cultivo mixto de microorganismos mesófilos marinos". Tecnología de Bioresource . 98 (8): 1586-1595. doi : 10.1016 / j.biortech.2006.06.021 . PMID 16962320 .
- ^ Williamson, SA 2000. Conversión de sales de carboxilato en ácidos carboxílicos mediante destilación reactiva. Tesis de maestría
- ^ Yeh, H. 2002. Descomposición pirolítica de sales carboxilato. Tesis de maestría
- ^ Ingram, D. 2002. Ketonization of actic acid. Informe del estudiante de licenciatura.
- ^ Bradley, MW, Harris, N., Turner, K. 1982. Proceso de hidrogenólisis de ésteres de ácido carboxílico WO 82/03854, noviembre de 2011
- ^ Preparación de ésteres por reacción de sales de amonio con alcoholes.
- ^ Aldrett-Lee, S. 2000. Hidrogenación catalítica de cetonas líquidas con énfasis en la transferencia de masa gas-líquido. Tesis doctoral
- ^ "Producción de gasolina a partir de metanol" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 1 de diciembre de 2012 . Consultado el 27 de noviembre de 2010 .
- ^ Eggeman, T., Verser, D. y Weber, E. (2005), Una ruta indirecta para la producción de etanol Departamento de energía de EE. UU.