Viernes 15 marzo 2013
Universidad Politécnica de Zacatecas
Seminario de Energía en Biomasa
"Producción de biocombustibles a partir de recursos renovables "
Ivan Ulises Juarez Reyes
"El presente escrito es una traducción y/o interpretación del artículo cuya referencia se muestra al final del documento, se realizó el blog con fines de divulgación"
RESUMEN
Este
artículo es una revisión puesta al día de la literatura disponible sobre el
tema de los biocombustibles líquidos. En busca de un combustible alternativo
adecuado al combustible fósil rápido agotamiento y las reservas de petróleo y
en la consideración seria de la problemas ambientales relacionados con el uso
extensivo de combustibles basados en petroquímicos, trabajos de investigación
está en curso en todo el mundo. Los investigadores se han vuelto a dirigir sus
intereses en los combustibles de biomasa a base de, que en la actualidad parece
ser la única alternativa lógica para el desarrollo sostenible en el contexto de
consideraciones económicas y medioambientales. Renovables recursos biológicos
están disponibles globalmente en forma de la biomasa residual agrícola y
residuos, que se pueden transformar en biocombustibles líquidos. Sin embargo,
la proceso de transformación de conversión, o químico, puede ser muy caro y no
vale la pena-mientras que el uso para un económico a gran escala oferta
comercial de los biocombustibles. Por lo tanto, todavía hay necesidad de mucha
investigación por hacer para un proceso eficaz, la conversión económica y
eficiente. Por lo tanto, este artículo está escrito como una visión general del
tema, e incluye información sobre la base de la investigación realizada a nivel
mundial por científicos de acuerdo a sus situaciones locales socio-culturales y
económicas.
INTRODUCCIÓN
La creciente
industrialización y la motorización del mundo ha dado lugar a un fuerte aumento
de la demanda de combustibles derivados del petróleo. Combustibles fósiles de
hoy ocupan el 80% de la energía primaria consumida en el mundo, de los cuales
solo el 58% es consumido por el sector del transporte. Las fuentes de estos
combustibles fósiles se están agotando en un consumo de combustibles fósiles
para atender la demanda de energía lo
que lleva a muchos efectos negativos como el cambio climático, retroceso de los
glaciares, aumento del nivel del mar, pérdida de biodiversidad, etc. La creciente demanda de energía conduce a un
aumento del precio del petróleo crudo, directamente afectados a la actividad
económica mundial. Progresivo el agotamiento de los combustibles fósiles
convencionales con las crecientes emisiones de gases de efecto invernadero y de
consumo han dado lugar a un movimiento hacia alternativa, renovable,
sostenible, eficiente y rentable fuentes de energía con menores emisiones.
Entre muchas
alternativas de energía, biocombustibles, hidrógeno, gas natural y gas de
síntesis (gas de síntesis) probablemente podría emerger como los cuatro fuentes
sostenibles de importancia estratégica de los combustibles en el futuro
previsible futuro. Dentro de estos cuatro, los biocombustibles son los de más
energía. Dado que la preocupación por el calentamiento global crece, hay
interés por los biocombustibles, que también se deriva del hecho de que los
combustibles producidos en el hogar aliviar, en cierta medida, la dependencia
del petróleo importado por caprichos políticos de su oferta y el precio. Por lo
tanto, los biocombustibles se están estudiando para sustituir a los
combustibles fósiles. Los Biocombustibles
son de opción favorable del consumo de combustible debido a su
renovabilidad, biodegradabilidad y la generación de gases de escape de calidad
aceptable gases de efecto.
Hay una
serie de tecnologías existido y varias en desarrollo para la producción de
biocombustibles como fermentación de sustratos de azúcar, la tecnología
catalítica para convertir etanol a hidrocarburo mixto, hidrólisis de la
celulosa, biobutanol por fermentación, transesterificación de aceites y grasas
naturales para biodiesel, hidrocraqueo de aceites y grasas naturales, la
pirólisis y la gasificación de diversos materiales biológicos, etc fig. 1
presenta una cartografía de las diferentes tecnologías y combustibles, en
relación posicionada para sus materias primas actuales y potenciales.
1.1 Los biocombustibles una respuesta a un
combustible sostenible
Los
biocombustibles se refieren a los combustibles líquidos, gases y sólidos predominantemente
producidos a partir de biomasa. Una variedad de combustibles puede ser
producido a partir biomasa, tal como etanol, metanol, biodiesel,
Fischer-Tropsch diesel, hidrógeno y metano.
Los
biocombustibles se han convertido en uno de los de mayor importancia
estratégica en fuentes sostenibles de combustible y se considera una forma
importante de progreso para limitar las emisiones de gases de efecto
invernadero, mejorando el aire y la
búsqueda de nuevos recursos energéticos. Renovables y biocombustibles de carbono neutral para el medio ambiente son
necesarias y sostenibilidad económica. La gente siempre va a necesitar
combustible para vivir y calefacción, y dado que la demanda de petróleo ha
aumentado, la producción de grandes campos de petróleo está disminuyendo a un
ritmo de 4E5% anual, posteriormente, la producción mundial de petróleo se
espera que llegue en los próximos años. Un dato preocupante es que la
producción mundial de petróleo y el gas se acerca a su máximo y el mundo está
descubriendo ahora un nuevo barril de petróleo por cada cuatro que consume. Por
lo tanto, como una alternativa a los combustibles fósiles, los biocombustibles
se han retratado como un futuro proveedor líder de fuentes de energía que
tienen la capacidad de aumentar la seguridad del suministro, reducir las
emisiones de los vehículos y proporcionar un ingreso estable para los
agricultores.
2.
Clasificación de los biocombustibles
Los
biocombustibles son ampliamente clasificados como biocombustibles primarios y
secundarios. Los biocombustibles primarios se utiliza en una forma no
procesada, principalmente para la producción de calefacción, cocina o
electricidad, como leña, astillas de madera y pellets, etc Los biocombustibles
secundarios son producido por el procesamiento de biomasa, por ejemplo, etanol,
biodiesel, DME, etc que se puede utilizar en vehículos y diversos procesos
industriales. Los biocombustibles secundarios están además divididos en al
primero, segundo y tercera generación de
biocombustibles sobre la base de la materia prima y la tecnología
Los
biocombustibles también se clasifican según su origen y tipo.
Ellos se
pueden derivar de forestales, agrícolas o productos de la pesca o residuos
municipales, incluyendo también los subproductos y residuos originados de la
agroindustria, la industria de alimentos y servicios de alimentación. Los Biocombustibles pueden ser sólidos, tales
como leña, carbón y pellets de madera, o líquido, tal como etanol, biodiesel y
aceites de pirólisis; o gaseoso, tal como biogás (metano).
2,1.
Biocombustibles primarios frente a los biocombustibles secundarios
Biocombustibles
primarios son la biomasa natural y sin procesar como leña, astillas y pellets,
y son principalmente aquellos en los que la material orgánico se utiliza
esencialmente en su forma natural y normalmente su forma química. Combustibles
primarios se quema directamente, suele colocar los productos combustibles para
cocinar, calefacción o electricidad necesidades en aplicaciones industriales
pequeñas y grandes. Combustibles secundarios se modifican los combustibles
primarios, que han sido procesado y producido en la forma de sólidos (por
ejemplo, carbón vegetal), o líquidos (por ejemplo, etanol, biodiesel y bio-aceite.
) o gases (por ejemplo, el biogás de gas de síntesis e hidrógeno). Combustibles
secundarios pueden utilizarse rangos de aplicaciones, incluidos el transporte y
alta temperatura procesos industriales. Ahora más avanzada y eficiente Existen
tecnologías de conversión para la extracción de biocombustibles en e sólido,
líquido y gaseoso e formas de materiales tales como productos de madera y
materiales de desecho como se indica en el informe de 2008 de El estado de la
alimentación y la agricultura.
2.2 Ventajas y desafíos de los biocombustibles
Los
biocombustibles ofrecen la promesa de numerosos beneficios relacionados con la
seguridad energética, la economía y el medio ambiente. En el mismo tiempo,
varios retos por superar para hacer realidad estos beneficios Las principales ventajas
y desafíos en la producción y el consumo de biocombustibles se destacan en la
tabla 1. La principal ventaja de la utilización de fuentes renovables para el
producción de biocombustibles es la utilización de los recursos biológicos
naturales (que están geográficamente distribuido más uniformemente que los
combustibles fósiles) y bioenergía producida proporciona independencia y la
seguridad de la energía suministrar. Utilizando sustratos agrícolas residuales
y de los residuos como materia prima materiales minimizar el posible conflicto
entre alimentos y combustible y también produjo. Biocombustibles producido a
partir de materiales lignocelulósicos generar bajo neta de GEI emisiones, por lo
tanto, reducir el impacto ambiental.
Además de
tener varios beneficios, la producción y la utilización de los biocombustibles también tienen varios
desafíos. Una biomasa mejorada red de recogida de los residuos y su
almacenamiento es el principal desafío para el establecimiento de la planta de biocombustible comercial. Una
política fuerte es necesario para la recogida de residuos orgánicos y mezclas
de biocarburantes en mayor tasa. El subcidio para el establecimiento de plantas
de biocombustibles se acelerar la producción de biocombustibles y los créditos
fiscales para la utilización se creat el mercado para el biocombustible. La
mejora tecnológica podría ayudar a mejorar la eficiencia del sistema y
proporcionar un valor añadido co-productos, lo que reducirá el coste de
producción.
3. Los
biocombustibles líquidos
Los
biocombustibles líquidos se están investigando principalmente para reemplazar
convencional combustibles líquidos (diesel y gasolina). Una clasificación
recientemente popularizada para los biocombustibles líquidos incluye
"primera generación" y "Segunda generación" de
biocombustibles. La distinción principal entre ellos está en la materia prima
utilizada. El trabajo de investigación está en curso para laproducción de
"tercera generación de biocombustibles".
3.1. Biocombustibles de primera
Los biocombustibles líquidos de
primera generación son el tipo de combustibles líquidos generalmente se produce
a partir de azúcares, granos o semillas y requiere un proceso relativamente
simple para producir el combustible terminado producto. El más conocido de
primera generación de biocombustibles es el etanol hecho por fermentación de
azúcar extraído de las plantas de cultivo y almidón contenidas en los granos de
maíz u otros cultivos amiláceos. El bioetanol es generalmente producido a
partir de materia de base orgánica con alto contenido de azúcares fermentado
por las enzimas producidas a partir de levadura. Las levaduras se tienen que
convertir las azúcares de seis carbonos (principalmente glucosa) a etanol,
porque almidón es mucho más fácil que para convertir la celulosa en glucosa.
Inicialmente el azúcar de las materias primas se separa después de que la
fermentación procesos utiliza levaduras para convertir la glucosa en etanol. La
destilación y deshidratación se utilizan como los últimos pasos para alcanzar
la concentración deseada (hidratado o anhidro etanol) que se puede mezclar con los
combustibles fósiles o utilizados directamente como combustible. Cuando las
materias primas usadas son granos, por lo general es la hidrólisis utilizado
para la conversión de los almidones en glucosa . Los convencionales procesos
utilizados sólo el germen de las semillas o granos para el etanol en la producción que representa un pequeño
porcentaje de la masa total de la planta, la generación de una cantidad
significativa de residuos. La primera generación de los combustibles están en
existencia y que se produce en cantidad comercial significativa en una serie de
países. La viabilidad de la producción de biocarburantes de primera generación
es, sin embargo, cuestionable debido al conflicto con el suministro de
alimentos. La la utilización de sólo una pequeña fracción de la biomasa total
de la planta reducido la eficiencia de uso del suelo. Los biocombustibles de primera
generación tienen un alto costo de producción debido a la competición con los alimentos. La rápida expansión de la
producción mundial de biocombustibles a partir de cereales, azúcar y
oleaginosas tiene aumentó el costo de ciertos cultivos y alimenticios. estas
limitaciones favorecer la búsqueda de la biomasa no comestible para la
producción de biocombustibles.
3,2. Biocombustibles de segunda
generación
La segunda generación de
biocarburantes líquidos se producen generalmente por dos enfoques diferentes
fundamentalmente es decir, biológico o procedimiento termoquímico, a partir de
biomasa lignocelulósica agrícola, que son o no comestibles residuos de la
producción de cultivos alimentarios o biomasa no comestible (por ejemplo, los pastos
o árboles específicamente cultiva para la producción de energía). La principal
ventaja de la producción de biocombustibles de segunda generación a partir de
materias primas no comestibles es que limita la competencia directa de alimentos
frente a combustibles asociados a los biocombustibles de primera generación. La
Materia prima involucrada en la proceso pueden ser criados específicamente para
la producción de energía, lo que permite una mayor producción por unidad de
superficie, y una mayor cantidad de sobre el suelo material de la planta puede
ser convertido y utilizado para producir biocombustibles. Como resultado, este
aumentará aún más la eficiencia del uso del suelo en comparación con los
biocombustibles de primera generación. Como se indica por Larson, es cree que las características básicas de
las materias primas tiene un potencial para reducir los costes y energía
significativos y beneficios ambientales para la mayoría de segunda generación
de biocarburantes.
3.3 Biocombustibles
de tercera generación
Son Recursos
alternativos de energía similares a los biocombustibles de primera generación derivados
de cultivos terrestres tales como caña de azúcar, remolacha azucarera, maíz y
la colza en una enorme presión sobre los mercados mundiales de los alimentos y precipitar
la destrucción de la los bosques del mundo. La segunda generación de
biocombustibles derivados de lignocelulósica residuos agrícolas y forestales y
de cultivos no alimentarios de materias
primas para abordar algunos de los problemas anteriores, sin embargo, hay preocupación
por el uso del suelo o la competencia necesarios cambios en el uso de la
tierra. La última generación de biocombustibles los investigadores están ahora
dirigiendo su atención última sustratos agrícolas y aceites vegetales usados
para organismos microscópicos. Por lo tanto, sobre la base de los
conocimientos de científicos y la tecnología de las proyecciones en la tercera generación de biocombustibles específicamente
derivado de microbios y microalgas son consideradas a ser un recurso de energía
alternativa viable que carece de la mayor inconvenientes asociados a los
biocombustibles de primera y segunda generación.
3.3.2. Biocombustibles
a partir de algas
Las algas
son reconocidos como una de las más antiguas formas de vida y son presentes en
todos los ecosistemas de la tierra existentes, lo que representa una gran
variedad de especies que viven en una amplia gama de condiciones ambientales.
Esas son plantas primitivas (thallophytes), es decir, que carecen de raíces,
tallos y hojas, no tienen cubierta estéril de las células alrededor de las
células reproductoras y tienen clorofila como su pigmento fotosintético primario . En
condiciones naturales de crecimiento de algas fototróficas absorben la luz
solar, y asimilar el dióxido de carbono del aire y nutrientes de las áreas acuáticas . Las microalgas pueden producir
lípidos, proteínas y hidratos de carbono en grandes cantidades durante períodos
cortos de tiempo. Estos productos se pueden procesar en ambos biocombustibles y
valiosos coproductos . Sin embargo, la producción de lípidos, proteínas y
carbohidratos puede estar limitado por la luz solar disponible debido a los
ciclos diurnos y las variaciones estacionales; limitando así la viabilidad
comercial de los producción a zonas con alta radiación solar.
Muchas algas
son muy ricas en aceite, ya que sus células Se han encontrado fuertemente
enriquecidos con glóbulos de aceite, que pueden ser convertidos en biodiesel. Las
tecnologías de conversión para la utilización de la biomasa de microalgas se
puede separar en dos categorías básicas de termoquímica y conversión bioquímica
(similar a la biomasa terristrial). Termoquímica es la conversión que cubre la
descomposición térmica del orgánica componentes a los productos de la
combustión, tales como la combustión directa, gasificación, licuefacción
termoquímica y pirólisis . El biológico proceso de conversión de la energía de
la biomasa en combustibles incluye otros digestión anaerobia, la fermentación
alcohólica y fotobiológica producción de hidrógeno.
4. Bioquímicos combustibles líquidos
En los
párrafos siguientes mostraremos los tres tipos importantes de líquido biocombustibles,
que son combustibles de segunda generación y se producen bioquímicamente.
4.1 Bioetanol
Etanol se produce
utilizando una biomasa renovable, se nombra
como bioetanol. El uso del bioetanol como biocarburante es tanto renovables como
favorable al medio ambiente . La producción mundial de primera generación
de bioetanol en 2006 fue de cerca de 51 mil millones de litros, un 35% del total.
China e India contribuyeron con 11% de la producción mundial de etanol en
2006, y los niveles de producción eran mucho más bajos que en otros países.
Muchos países se están involucrando en el desarrollo de la primera
producción de etanol generación, con EE.UU. y Brasil que muestra
el más grande de los planes de expansión . El etanol puede ser combinado y
mezclado con gasolina o quemado en su forma pura dentro modificado
los motores de explosión. En comparación, un litro de etanol contiene
66% de la energía proporcionada por un litro de gasolina, pero tiene una mayor
nivel de octanaje, y cuando se mezcla con la gasolina para el transporte,
mejora el rendimiento de este último. El etanol también mejora la
combustión en vehículos, reduciendo así la emisión de
monóxido de carbono, hidrocarburos no quemados y carcinógenos. En
comparación con la gasolina, el etanol contiene sólo una cantidad de traza de
azufre. Por lo tanto, la mezcla de etanol con gasolina ayuda a reducir la
contenido de azufre de combustible y por lo tanto reduce las emisiones de azufre
óxido, un componente principal de la lluvia ácida, y un carcinógeno.
como bioetanol. El uso del bioetanol como biocarburante es tanto renovables como
favorable al medio ambiente . La producción mundial de primera generación
de bioetanol en 2006 fue de cerca de 51 mil millones de litros, un 35% del total.
China e India contribuyeron con 11% de la producción mundial de etanol en
2006, y los niveles de producción eran mucho más bajos que en otros países.
Muchos países se están involucrando en el desarrollo de la primera
producción de etanol generación, con EE.UU. y Brasil que muestra
el más grande de los planes de expansión . El etanol puede ser combinado y
mezclado con gasolina o quemado en su forma pura dentro modificado
los motores de explosión. En comparación, un litro de etanol contiene
66% de la energía proporcionada por un litro de gasolina, pero tiene una mayor
nivel de octanaje, y cuando se mezcla con la gasolina para el transporte,
mejora el rendimiento de este último. El etanol también mejora la
combustión en vehículos, reduciendo así la emisión de
monóxido de carbono, hidrocarburos no quemados y carcinógenos. En
comparación con la gasolina, el etanol contiene sólo una cantidad de traza de
azufre. Por lo tanto, la mezcla de etanol con gasolina ayuda a reducir la
contenido de azufre de combustible y por lo tanto reduce las emisiones de azufre
óxido, un componente principal de la lluvia ácida, y un carcinógeno.
4.2 Butanol
El butanol
es un alcohol de cuatro carbonos (C4H10O). Contiene más hidrógeno y carbono .
En consecuencia, es más fácil de mezclar con gasolina y otros productos de
hidrocarburos y también contiene más calor energía que el etanol, lo que equivale
a un aumento del 25% en energía (BTU) . El Butanol contiene 110.000 BTU por galón,
más cerca de 115.000 BTU gasolina, y es más seguro de manejar con un Valor de 0,33 psi, que es una medida de la tasa de
un fluido de evaporación en comparación con la gasolina a 4,5 y etanol a 2,0
psi . El butanol es mucho menos corrosivo que el etanol y puede ser
transportado y distribuido a través de los gasoductos existentes y llenando estaciones.
Un 85% de butanol / gasolina mezclas se pueden utilizar en sin modificar
motores de gasolina y butanol es mucho
menos evaporación que gasolina o etanol, lo que es más seguro de usar y genera
menos compuesto orgánico volátil (COV) . Butanol contiene 22% de oxígeno por lo
que es un extensor de combustible beneficiario que es más limpio quema de
etanol. También informó de que cuando se
consume en un motor de combustión interna produce sólo carbono dióxido de
carbono, hace que sea más respetuosa con el medio ambiente biofuel.
4.3
Biodiesel
5 Debate Alimentación vs Combustible
Los
biocombustibles sólo será beneficioso si se cultivan en de manera sostenible
con la biodiversidad y la "comida vs combustible" - debate en mente. Una revisión particular se
concentra exclusivamente en la gestión de la producción de cultivos oleaginosos
en una manera amigable de recursos y del
medio ambiente. Recomiendan que sobre el
crecimiento de los cultivos de biocombustibles con la biodiversidad en la mente
y recomendar promoción de materias
primas sostenibles y de bajo impacto, como
Karanja, Jatropha y Panicum virgatum, el mantenimiento de esencial
y cultivos nativos de alimentos y la
promoción de los cultivos para biocombustibles de carbono neutral. También se habló de los Algunos cultivos como
el maíz, caña de azúcar, soja y palma
están siendo utilizados en la síntesis de biodiesel, el conflicto que se plantea es si estos cultivos
debe ser designado para alimentos o se usan en la producción de biodiesel.
sugiere que la tierra agrícola del mundo
se limita, por tanto, es necesario
definir la fracción de campos agrícolas que podrían ser utilizados para la producción de biocombustibles. Los
cereales son la fuente más importante de
nutrición en el mundo ya sea para
consumo humano directo consumo o
indirectamente, para alimentar el ganado. Por lo tanto, la variación en la disponibilidad y los precios de los
cereales puede ser crucial para la suministro
mundial de alimentos. El uso de las tierras agrícolas y los granos que podrían
ser consumidos por los seres humanos para la producción de biocombustibles ya
está enviando señales de advertencia en
algunos lugares del mundo. Los recientes avances tecnológicos han hecho posible
producir biocombustibles, llamados biocombustibles celulósicos, a partir de
biomasa no comestible, es decir, los tallos, tallos y hojas de las plantas. Mediante
la aplicación de avanzada fitomejoramiento y la biotecnología a los cultivos
energéticos, soluciones energéticas sostenibles que se pueden entregar:
desplazar cantidades de combustibles fósiles, una mayor seguridad energética y
crear nuevas oportunidades económicas para los agricultores y las comunidades
rurales. Los cultivos energéticos podría satisfacer el 75% de la demanda actual
de gasolina. Uno de los conceptos actualmente bajo revisión es el uso de algas
como un aceite productor para la fabricación de biodiesel. La investigación ha
demostrado que los contenido de aceite de algas por hectárea puede ser un
asombroso 200 veces más que el cultivo de la tierra más productiva basada en
(algas son los más rápidos creciente organismos fotosintéticos y tienen el
potencial de producir 46 toneladas de aceite / ha / año). Esta es una pista
prometedora para biocombustibles de nueva generación, sin comprometer con el
suministro de alimentos ya que pueden ser cultivadas en tierras no agrícolas.
6 Observaciones finales
Cualquier proceso de biotransformación Se dan cuenta de cuáles son los retos actuales
de investigación para se enfrentará en la producción de biocombustibles se requiere
una evaluación crítica. A pesar de las ventajas obvias para muchos, todavía no
hay producción a gran escala instalaciones se han establecido mediante biotransformación
de lignocelulósica materiales. El bioetanol se produce a partir de este momento
se caña de azúcar y el almidón que contienen sustratos. Aunque hay similitudes
entre en el lignocelulósico y el proceso de almidón, las dificultades técnicas
y económicas en la bioconversión de lignocelulósica sustratos son grandes.
Aunque hay varias opciones disponibles y reportados por diferentes
investigadores para un lignocelulosa en el proceso del etanol pero, para cualquier opción que se elija, los
siguientes factores son requiere ser cuidadosamente evaluadas en comparación con
un sistema bien establecido producción de etanol a partir de azúcar o sustratos
de almidón.
(i)
Un
rentable estrategia de transformación de la celulosa y la hemicelulosa a azúcares
solubles.
(ii)
Un máximo de fermentación eficiente proceso la
transformación de un hidrolizado que consiste en azúcares mixtos, que contiene hexosas
y pentosas en presencia de inhibidores de fermentación compuestos.
(iii) El proceso de integración del estado para reducir al mínimo la demanda de energía del proceso global. Tras una
investigación importante de desafíos deben ser considerados para la
optimización de procesos para producir un biocombustible sostenible.
Referencias
Poonam Singh
Nigam ,Anoop Singh “Production of liquid biofuels from renewable resources” Progress
in Energyand Combustion Science 37 (2011) 52-68
PREGUNTAS!
Que tipos de biocombustibles exiten?
Como obtenemos en biodisel?
Porque utilizar Biocombustible de algas?
