Revisión del uso de líquidos iónicos en la industria de procesos: aplicación a una biorrefinería

Castellano Perdomo, Rafael (2017). Revisión del uso de líquidos iónicos en la industria de procesos: aplicación a una biorrefinería. Proyecto Fin de Carrera / Trabajo Fin de Grado, E.T.S.I. Industriales (UPM).

Descripción

Título: Revisión del uso de líquidos iónicos en la industria de procesos: aplicación a una biorrefinería
Autor/es:
  • Castellano Perdomo, Rafael
Director/es:
  • Rodríguez Hernández, Manuel
Tipo de Documento: Proyecto Fin de Carrera/Grado
Grado: Grado en Ingeniería Química
Fecha: Julio 2017
Materias:
Escuela: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Departamento: Ingeniería Química Industrial y del Medio Ambiente
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

Texto completo

[img]
Vista Previa
PDF (Document Portable Format) - Se necesita un visor de ficheros PDF, como GSview, Xpdf o Adobe Acrobat Reader
Descargar (1MB) | Vista Previa

Resumen

A día de hoy, el 86% de la energía y el 96% de los químicos orgánicos que se consumen derivan de los recursos fósiles: carbón, petróleo y gas natural. Desde la revolución industrial, el crecimiento económico ha sido el principal incentivo de la mayoría de países, respaldado por los avances en la industria química. De esta forma, las preocupaciones medioambientales se relegaron a un segundo plano. La comprensión de que la contaminación producida por la industria tiene profundos efectos sobre el medio ambiente y la sobre la salud de la población ha llevado a la aparición de una corriente científica que pretende mitigar estos efectos nocivos, la química verde o sostenible. El uso de tecnologías verdes permitirá abordar los problemas medioambientales más acuciantes: el cambio climático, la producción de energía sostenible, la producción alimentaria y las prácticas agrícolas asociadas, el agotamiento de los recursos no renovables y la eliminación de materiales tóxicos y peligros del medio ambiente [34, 40, 48]. Es en este contexto donde se enmarcan las biorrefinerías y el uso de los líquidos iónicos, como disolventes verdes. El objetivo fundamental de este trabajo es realizar una revisión del uso de los líquidos iónicos en los procesos llevados a cabo en las biorrefinerías. Para comenzar, se ha procedido a revisar la literatura disponible concerniente a los recursos biomásicos y a las biorrefinerías. La biomasa constituye una materia prima barata y renovable que se encuentra disponible a escala global. Ésta incluye cualquier materia orgánica disponible de forma recurrente, como cultivos y árboles energéticos, cultivos alimenticios y los residuos de los mismos, plantas acuáticas, desperdicios animales, y otros materiales residuales. Los principales componentes de la biomasa comprenden 5 categorías principales: almidón, celulosa, hemicelulosa, lignina y aceites. Igualmente, existen otros componentes que se encuentran en menor cantidad, denominados metabolitos secundarios [10]. La conversión de biomasa es el concepto clave sobre el que gira una biorrefinería. Se puede afirmar que las biorrefinerías son sistemas de producción análogas a las refinerías de petróleo. De hecho, su objetivo no es otro que la sustitución de los productos del mismo,haciendo uso de tecnologías limpias y asegurando la sostenibilidad de todo el ciclo de vida de los productos. Lo que se pretende es el diseño de un proceso integrado capaz de generar, de manera rentable, energía, productos químicos y materiales utilizando los recursos de la biomasa. Las tecnologías aplicadas deben ser capaces de adaptarse a la variabilidad de los recursos biomásicos. En definitiva, lo que se pretende es conseguir un biorrefinado sin desperdicios, capaz de competir económicamente con los actuales sistemas de producción de energía y químicos [34]. Las biorrefinerías pueden ser de variados tipos y tamaños, debiendo ser diseñadas para adaptarse a la mejor tecnología disponible y a los recursos según la situación geográfica en la que se vaya a proceder a su instalación [34].De acuerdo a la materia prima y proceso utilizado, así como el producto objetivo, pueden clasificarse en: • Biorrefinerías de primera generación: un único recurso para obtener un sólo producto, como por ejemplo una planta de producción de biodiésel. • Biorrefinerías de segunda generación: difieren de las anteriores en el número de productos. • Biorrefinerías de tercera generación: en estas se da la combinación de un mayor rango de tecnologías. Así se posibilita la obtención de múltiples productos, pues se pueden tratar de forma separada los numerosos componentes de la biomasa que se procesa. Teniendo en cuenta el tipo de conversión que se lleva a cabo en las mismas se pueden dividir en [18]: 1. Biorrefinerías de conversión termoquímica, donde se realizan depolimerizaciones de los componentes de la biomasa a elevadas temperaturas y presiones. Los principales procesos termoquímicos que se llevan a a cabo en las biorrefinerías son: • Combustión, para obtener energía calorífica y electricidad. • Gasificación, para producir gas de síntesis. • Pirólisis, para obtener bioaceites y carbón ecológico. • Licuefacción hidrotérmica, para obtener bioaceites. 2. Biorrefinerías de conversión bioquímica, las denominadas plataformas azucareras. En ellas, la biomasa se somete a hidrólisis y sacarificación. Los azúcares resultantes se convierten, a continuación en biocombustibles, químicos y materiales mediante fermentación enzimática o microbiana. Los procesos enzimáticos están llamados a ser parte esencial en la producción de químicos a partir de biomasa, debido a su elevada especificidad. La gran cantidad de productos obtenidos en los procesos de conversión de biomasa resulta en que las operaciones de separación llevadas a cabo en las biorrefinerías tengan una importancia capital, en pos de lograr un aprovechamiento eficiente de los recursos biomásicos. Las principales operaciones de separación son las siguientes [18]: • Procesos basados en el equilibrio químico: absorción, destilación, extracción líquidolíquido y extracción supercrítica. • Procesos basados en la afinidad química: adsorción, intercambio iónico y cromatografía. • Separación por membranas. • Separación sólido-líquido: filtración y extracción sólido-líquido. • Sistemas de reacción separación: reactores de membrana, fermentación extractiva, destilación reactiva y absorción reactiva. Una vez se han revisado los principales aspectos de las biorrefinerías, se procede a revisar los usos que los líquidos iónicos tienen en estos sistemas de producción. Teniendo en cuenta consideraciones ambientales y económicas, los líquidos iónicos se han introducido para el pretratamiento y conversión de la biomasa, así como para la separación de los productos obtenidos. El interés en el uso de líquidos iónicos como disolventes en la industria yace en las únicas y extraordinarias propiedades que presentan. Se trata de un diverso grupo de sales que, en general se encuentran en estado líquido por debajo de 100ºC, algunos (room temperature ionic liquids) incluso son líquidos a temperaturas inferiores a la ambiente. Esto se debe a los grandes cationes y aniones que los conforman [5, 40]. Estos compuestos orgánicos presentan atractivas propiedades como presión de vapor y punto de fusión extraordinariamente bajos, insignificante inflamabilidad y un amplio rango de líquido. Así mismo, pueden ser diseñados de forma que presenten uan elevada estabilidad térmica, elevada conductividas, baja toxicidad y capacidad de solvatación [40, 48]. Se han usado en diversas áreas, como síntesis química, catálisis, biocatálisis y en dispositivos electrónicos [48]. Hasta la fecha, el uso de líquidos iónicos en el tratamiento y conversión de biomasa se ha centrado en cuatro campos principalmente: pretratamiento de biomasa, disolución de biopolímeros, conversión catalítica de biopolímeros y sus monómeros, y separación y producción de biocombustibles [46]. 1. Pretratamiento de la biomasa: Se trata de una operación fundamental debido a la compleja estructura de la materia vegetal. La capacidad que tienen de producir disoluciones homogéneas de lignocelulosa hace que sean excelentes disolventes para llevar a cabo el pretratamiento. 2. Disolución de biopolímeros en líquidos iónicos: una gran cantidad de materiales pueden disolverse en los líquidos ióncios, como sales metálicas, gases, carbohidratos, polialcoholes y celulosa y otros componentes de la biomasa. En las biorrefinerías se aplican para: • Disolución de carbohidratos. • Disolución de celulosa. • Disolución de madera y lignina. 3. Procesos de reacción: se ha observado una reactividad creciente en aquellas reacciones en las que actúan como catalizador, ácido o básico. La baja volatilidad que presentan permite que se lleven a cabo reacciones a temperatura ambiente. Además tienen la capacidad de actuar de forma simultánea como disolventes y catalizadores. En las biorrefinerías se aplican a: • Reacciones catalizadas con bases. • Reacciones catalizadas con ácidos. • Reacciones catalizadas con metales. • Reacciones catalizadas con enzimas. 4. Procesos de separación: fundamentales en la industria química, normalmente constituyen el 60-80% del coste total de una planta química. En las biorrefinerías los líquidos iónicos se utilizan para llevar a cabo procesos de: • Separación de fases. • Extracción supercrítica. • Destilación. 5. Producción y separación de biocombustibles: La necesidad de encontrar alternativas para la producción de combustibles se debe al aumento de las preocupaciones medioambientales y al agotamiento de los yacimientos fósiles disponibles. Actualmente, el biodiésel, los bioalcoholes y los bioaceites de pirólisis se encuentran entre los biocombustibles más investigados. En la producción de biodiésel, los líquidos iónicos se han aplicado para la extracción de lípidos y en la producción, tanto química como bioquímica. • Respecto a los bioalcoholes, el uso de líquidos iónicos se ha centrado en la separación de los mismos de sus caldos de fermentación, debido a la miscibilidad y solubilidad del agua y otros compuestos orgánicos en los mismos. • Por último, para la producción de bioaceites de pirólisis se han aplicado para intentar elevar las propiedades de los mismos como combustibles, aunque no parece que sea la más correcta vía de investigación. Una vez finalizada la revisión del uso de los líquidos iónicos en la industria de las biorrefinerías, se procede, a modo ilustrativo, a llevar a cabo una simulación de un proceso de destilación extractiva para obtener bioetanol anhidro, utilizando como disolvente etilenglicol y el líquido iónico [emim][BF4]. El objetivo de esta simulación es comparar ambos procesos, de tal forma que se muestre la superioridad de estos novedosos disolventes respecto a los disolventes tradicionales. Así mismo se dispone de un archivo de simulación del proceso de destilación azeotrópica con ciclohexano de una mezcla etanol/agua, cuyos resultados también se han llevado a comparación. En la Tabla 3.2 figura dicha comparativa. En ella se observa como los resultados obtenidos se encuentran en sintonía con lo recogido en la literatura referida al uso de los líquidos iónicos en las biorrefinerías, poniéndose de manifiesto, efectivamente, la superioridad de los mismos respecto a los disolventes tradicionales. Con lo cual se consideran alcanzados los objetivos propuestos en la planificación del presente trabajo de fin de grado.

Más información

ID de Registro: 48948
Identificador DC: http://oa.upm.es/48948/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:48948
Depositado por: Biblioteca ETSI Industriales
Depositado el: 31 Dic 2017 09:30
Ultima Modificación: 31 Dic 2017 09:30
  • Open Access
  • Open Access
  • Sherpa-Romeo
    Compruebe si la revista anglosajona en la que ha publicado un artículo permite también su publicación en abierto.
  • Dulcinea
    Compruebe si la revista española en la que ha publicado un artículo permite también su publicación en abierto.
  • Recolecta
  • e-ciencia
  • Observatorio I+D+i UPM
  • OpenCourseWare UPM