Estudio tecno-energético de la producción de ácido levulínico a partir de celulosa mediante un proceso combinado: Descomposición hidrotérmica y deshidratación con catalizadores heterogéneos

Abstract

La situación energética actual se caracteriza por una gran dependencia de las materias primas fósiles, que conllevan problemas de abastecimiento y contribución al cambio climático. El camino hacia un desarrollo sostenible y de renovabilidad de los recursos hace que sea necesaria la búsqueda y utilización de nuevas fuentes, donde la biomasa y, en particular, la biomasa lignocelulósica se presenta como una materia prima adecuada y medioambientalmente beneficiosa, a partir de la cual se pueden producir una variedad de biocombustibles y productos químicos. El presente trabajo se enmarca dentro de una línea de investigación desarrollada en el Grupo de Ingeniería Química y Ambiental de la Universidad Rey Juan Carlos, relacionada con la valorización de la biomasa lignocelulósica residual para la formulación de biocombustibles de segunda generación con elevada densidad energética, que pueden ser utilizados como biocarburantes. Concretamente, en esta memoria se realiza un estudio técnico y energético de la tecnología de producción de ácido levulínico mediante un proceso combinado de dos etapas: tratamiento hidrotérmico y deshidratación en presencia de un catalizador heterogéneo tipo amberlita. El ácido levulínico es una molécula de base que puede ser obtenida partir de la biomasa lignocelulósica y es un potencial precursor de una gran variedad de biocombustibles y bioproductos. El uso de un catalizador heterogéneo en el proceso propuesto surge de la necesidad de mejorar y hacer más sostenibles las tecnologías actuales de hidrólisis de la celulosa, como el proceso Biofine, cuya tecnología emplea como catalizador ácido sulfúrico. En este trabajo se va a realizar una optimización energética de una planta de producción de ácido levulínico a partir de materia prima lignocelulósica, concretamente paja de cebada. Como punto de partida se toma una capacidad de procesamiento de la planta de 200.000 t/año. Se asume que la biomasa lignocelulósica pasa por un pretratamiento de explosión por vapor, previo al proceso, en el cual se obtiene un sólido compuesto por celulosa y lignina. Esta corriente de celulosa y lignina, junto con agua, se alimenta al proceso y únicamente la fracción de celulosa se transforma en ácido levulínico. La lignina es separada y se utiliza para producir energía a través de su combustión. En un estudio previo se llevó a cabo un análisis tecno-económico de esta tecnología, de manera que para llevar a cabo la optimización energética que se pretende realizar se tomará como base el diseño y los datos de las corrientes del proceso que se obtuvieron en dicho estudio y, a partir de esto, se seguirá una metodología que minimizará el consumo energético del proceso. La optimización de energía de la planta de producción de ácido levulínico se llevará a cabo mediante dos vías: integración energética de corrientes e implantación de una planta de cogeneración. La integración energética de corrientes consiste en el aprovechamiento integral del calor de todas las corrientes del proceso. Así, las corrientes que precisan de calefacción pueden ser abastecidas caloríficamente a través de otras corrientes que necesitan ser refrigeradas, lo que reduce considerablemente el consumo de servicios auxiliares de calefacción y refrigeración. El método que se ha seguido para llevar a cabo esta integración calorífica es el método de "Pinch", desarrollado por Linnhoff. En primer lugar, se ha dibujado el diagrama de temperatura-entalpía donde la suma de todas las corrientes calientes y la de todas las corrientes frías, por separado, da lugar a dos curvas compuestas, la curva compuesta caliente y la curva compuesta fría, respectivamente. Este diagrama permite visualizar el calor que puede ser recuperado en el proceso y la demanda de servicios externos que queda por cubrir una vez realizada la optimización energética. A continuación se emplea un método más preciso para la determinación de las demandas mínimas de calefacción y refrigeración, conocido como algoritmo tabular. Mediante éste método numérico se obtuvo que la demanda mínima de calefacción necesaria corresponde con 4290,75 kW, anulándose la necesidad de refrigeración. También se determinó la temperatura de Talle o ¿pinch¿, que es 35,86ºC. Después se representó la Gran Curva Compuesta en la que aparecen todos los flujos caloríficos y se observó que únicamente existe un subsistema superior, que significa que las corrientes calientes se enfrían por su cesión de calor a las corrientes frías y nunca mediante refrigeración externa. Las corrientes frías toman el calor de las calientes y la demanda no cubierta se abastece mediante servicios externos de calefacción. Por último, se llevó a cabo el diseño de una red de intercambio de calor, constituida por nueve intercambiadores de calor que permiten el aprovechamiento energético entre corrientes. La suma de las ofertas de calor de las corrientes calientes es de 11.905 kW, que corresponde con el calor máximo que se puede recuperar. La demanda de las corrientes frías es de 16.196 kW. Sin embargo, por restricciones termodinámicas el calor de las dos primeras corrientes calientes (1-C y 2-C) no puede ser aprovechado, con lo cual la demanda mínima de calefacción asciende a 8937 kW. La demanda de calefacción se satisface a través de cuatro intercambiadores de calor que utilizan vapor de calefacción procedente de una planta de cogeneración. Se diseñó y simuló en Thermoflow 22 un ciclo de cogeneración aprovechando las fracciones de biomasa no utilizadas en el proceso de producción de ácido levulínico, que son la lignina y la celulosa no reaccionada. El vapor de proceso producido proporciona el todo el calor que necesitan las corrientes y la generación de eléctrica del la planta, que es de 4062 kW, hace que la planta tenga una eficiencia eléctrica neta reducida (8,7%) pero permite el autoabastecimiento eléctrico del proceso y queda un excedente de electricidad no utilizada que puede ser vertido a la red eléctrica, obteniendo con ello beneficios económicos adicionales. Los resultados obtenidos han resultado por tanto muy alentadores para llevar a cabo futuras optimizaciones energéticas en biorrefinerías. Esta optimización da lugar a un importante ahorro económico y permite hacer estas industrias doblemente sostenibles.