Biorrefinerías para convertir residuos vegetales en combustible renovable

La biomasa vegetal, es decir, la materia orgánica procedente de plantas como la madera y de residuos agrícolas e industriales, es la mayor fuente de materias renovables de la Tierra. Está disponible en grandes cantidades a un coste reducido y representa una fuente potencial decisiva para la producción de energía, para obtener (bio)combustibles para el transporte y bioproductos y materias primas renovables que pueden utilizarse para producir plásticos, tal como recoge el Libro Blanco del CSIC sobre Energía limpia, segura y eficiente.

Las fuentes de energía fósil no renovables, como el petróleo, el carbón y el gas natural, suponen el 80% del modelo energético que mueve la sociedad actual. Su impacto negativo sobre el medio ambiente y el hecho de ser un recurso limitado hacen necesario afrontar un cambio estructural en la producción energética mundial. La biomasa puede ser una alternativa, tanto en el sector industrial como en el transporte, dos de los más contaminantes y donde es muy necesaria la descarbonización.

La biomasa permite obtener energía al ser sometida a diversos procesos. Mediante la combustión, produce calor y electricidad; mediante procesos termoquímicos, se transforma en gas combustible; y mediante procesos bioquímicos, se transforma en biogás o bioetanol (dos productos que pueden utilizarse para producir energía eléctrica). La biomasa también puede ser convertida en biodiésel o en gas de síntesis (syngas), a partir del cual pueden sintetizarse productos químicos (como plásticos) y combustibles líquidos.

“La biomasa residual es un combustible renovable existente en grandes cantidades en España”, explica el investigador Juan Adánez, del Instituto de Carboquímica (ICB). “Además de los residuos agrícolas y forestales, incluye los residuos de origen orgánico, como lodos de depuradora, residuos ganaderos o residuos municipales. Se puede utilizar para la producción de energía, biocombustibles o productos químicos con emisiones neutras de CO₂ a la atmósfera, o incluso para conseguir emisiones negativas de CO₂ si el CO₂ generado en estos procesos se captura y almacena”, añade.

El equipo de Adánez estudia cómo utilizar la biomasa para obtener energía y gas de síntesis mediante procesos no contaminantes, es decir, que permitan simultáneamente capturar el CO₂ del residuo biomásico a bajo coste y almacenarlo. Sería una tecnología útil para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. La captura de estos gases es fundamental: es imprescindible retirar CO₂ de la atmósfera para conseguir el objetivo del Acuerdo de París de 2015, que limitaba el calentamiento medio del planeta fuese de a 1,5 °C respecto a los niveles preindustriales.

La biomasa, como la madera de los árboles, retira CO₂ de la atmósfera de forma natural convirtiéndolo en materia orgánica. De esta forma, cuando estos residuos orgánicos son utilizados como combustible, este CO₂ regresa a la atmósfera, pero sin aumentar la proporción de gases en el medio ambiente (se consideran emisiones cero o neutras). Si el aprovechamiento energético de la biomasa se suma a la tecnología de captura de CO₂, se logra conseguir emisiones negativas de CO₂ y retirarlo de la atmósfera de forma eficiente y a bajo coste.

La tecnología que investiga el equipo de Adánez permite controlar las emisiones de CO₂ en procesos industriales. Pone en contacto el combustible de estos procesos (biomasa, aceites usados, etc.) con un óxido metálico o transportador de oxígeno. De este modo, este óxido suministra el oxígeno necesario tanto para la combustión como para la gasificación, sin ponerlo en contacto con el aire. Como resultado, los productos de la combustión (CO₂ y agua) no contienen nitrógeno y no es necesario separar el CO₂ para su captura y almacenamiento, sino que puede ser capturado directamente. Del mismo modo, en la gasificación se mejora la calidad del gas de síntesis -porque carece de nitrógeno- y se evita la necesidad de utilizar oxígeno de alta pureza, lo que reduce notablemente los costos de operación del proceso.

En estas investigaciones se desarrolla el proceso desde el laboratorio hasta su aplicación a nivel semiindustrial. “Desarrollamos transportadores de oxígeno con características adecuadas tanto para la combustión como para la gasificación o el reformado. Los transportadores desarrollados se caracterizan para su utilización industrial por métodos de laboratorio y, posteriormente, se prueban en plantas piloto con las mismas características que las industriales, en distintas escalas de producción para la demostración de la tecnología. Finalmente, se realiza su modelado matemático para el diseño conceptual de plantas industriales de este tipo”, concluye Adánez. Esta tecnología podría aplicarse en plantas industriales con captura de CO₂ procedente de la combustión de biomasa y residuos, así como en plantas de producción de hidrógeno, biocombustibles sintéticos, fertilizantes y biorrefinerías.

El investigador José Carlos del Río, del IRNAS, trabaja en la valorización de la biomasa vegetal para la producción de biocombustibles. / IRNAS

Refinado de restos vegetales

Uno de los instrumentos para producir combustible a partir de la biomasa son las biorrefinerías, un tipo de refinería que convierte biomasa (materia seca vegetal, en concreto, lignocelulosa) en otros subproductos beneficiosos, como biocombustibles y productos químicos. Las biorrefinerías pueden producir diversos productos químicos mediante el fraccionamiento de un material crudo inicial (biomasa) en múltiples productos intermedios (carbohidratos, lignina, lípidos), que pueden transformarse a su vez en productos de valor añadido. El uso de biomasa como materia prima puede contribuir a reducir el impacto en el medio ambiente, así como rebajar la emisión de contaminantes y reducir la emisión de productos peligrosos.

Investigadores del Instituto de Catálisis y Petroquímica (ICP) lideran un ambicioso proyecto para desarrollar una biorrefinería que genere combustible y productos químicos renovables a partir de residuos vegetales, de forma sostenible. El proyecto, denominado Fraction, ha recibido 6,2 millones de euros del consorcio europeo público privado BBI-JU (Bio-based Industries Joint Undertaking), entre el programa H2020 de la Unión Europea (UE) y la asociación Bio-Based Industries. El proyecto se basa en un método novedoso para tratar los residuos vegetales, fraccionar sus componentes y extraer los que resultan más útiles.  “Esta iniciativa pretende establecer que se pueden producir múltiples materiales y productos químicos renovables a partir de biomasa lignocelulósica de forma sostenible y a precios competitivos, reemplazando muchos de los productos que usamos hoy en día y que vienen del petróleo, como botellas de bebidas, envoltorios de plásticos, disolventes de pinturas…”, explica David Martín Alonso, investigador del ICP.

“Para conseguirlo, el proyecto Fraction utilizará un proceso organosolv (tratamiento de biomasa que usa como disolvente un compuesto orgánico en lugar de agua) novedoso y flexible que permite tratar los residuos lignocelulósicos (pino, abedul, bagazo, cartón ondulado, etc.) para fraccionar y obtener de forma separada sus tres componentes principales: celulosa de alta calidad, hemicelulosas y lignina”, explica Manuel López Granados, coordinador del proyecto. Este proceso organosolv se basa en un tratamiento a temperatura moderada del residuo lignocelulósico con una disolución acuosa de γ-valerolactona, un disolvente natural que se obtiene de la propia biomasa y que rompe y fracciona la lignocelulosa en dichos componentes.

Estos componentes pueden ser utilizados tanto para la producción de etanol, que puede ser usado como biocombustible, como de otras materias primas, polímeros y resinas, disolventes para pinturas, recubrimientos de superficies o para producir plásticos para embalajes o botellas de plásticos.

El sector de la bioeconomía en Europa (responsable en 2016 de 18,6 millones de puestos de trabajo y con una facturación de 2,3 billones de euros) necesita una mayor integración. Se debe impulsar la sinergia entre los sectores químico y de combustibles con las industrias forestales, de pulpa, papel y agroalimentos, para aprovechar los biorresiduos que generan. Por ello, para Europa es estratégico el desarrollo y despliegue de biorrefinerías integradas de segunda generación como las que impulsa el proyecto Fraction, capaces de procesar diferentes residuos lignocelulósicos y de producir un surtido de diferentes productos químicos y materiales.

El proyecto Fraction está coordinado por el ICP en un consorcio multidisciplinar con 12 socios de ocho países europeos. Entre los miembros se cuentan dos grandes socios industriales, cinco centros de investigación o tecnológicos y cinco pequeñas y medianas empresas. “El proyecto Fraction cubre toda la cadena de valor para cada producto hasta el final de su vida útil, con implicación industrial, y engloba a miembros fuertemente interesados en el posterior escalado de la tecnología para una futura comercialización al acabar el proyecto”, señala López Granados.

Mejora en la obtención de bioetanol

En el Instituto de Recursos Naturales y Agrobiología de Sevilla (IRNAS), el grupo de Jose Carlos del Río trabaja en la valorización de la biomasa vegetal para la producción de biocombustibles, bioproductos y biomateriales. Uno de estos productos es un biocombustible, el bioetanol de segunda generación (2G), obtenido a partir de plantas y de residuos vegetales que no entren en competencia con los cultivos dedicados a la alimentación y no provoquen un alza en su precio. El bioetanol 2G, o alcohol celulósico, se obtiene a partir de los polisacáridos (celulosa y hemicelulosas) presentes en la materia vegetal.

“Los polisacáridos de la pared celular vegetal, especialmente la celulosa, se pueden transformar en azúcares neutros mediante un procedimiento denominado hidrólisis enzimática. Esos azúcares neutros pueden convertirse después en etanol mediante fermentación. Sin embargo, ese proceso de degradación tiene un obstáculo importante, la lignina, un polímero aromático complejo y altamente recalcitrante que rodea los polisacáridos de la pared celular, y que es necesario eliminar”, explica José Carlos del Río. 

“Para degradar o eliminar parcialmente la lignina es necesario realizar un pretratamiento de la biomasa lignocelulósica, de forma que la celulosa sea más accesible a las enzimas del proceso de hidrólisis. Existen diversos tipos de pretratamientos, tanto físicos, químicos, o mezclas de ambos, pero generalmente todos emplean productos químicos agresivos”, explica Del Río.

Como alternativa, los investigadores del IRNAS trabajan en el desarrollo de pretratamientos biotecnológicos más respetuosos con el medio ambiente que consigan una eliminación más selectiva de la lignina de la biomasa. “Los pretratamientos desarrollados por el IRNAS para degradar la lignina se basan en el uso de enzimas procedentes de hongos como son las lacasas. Sin embargo, la acción directa de las lacasas sobre la lignina está restringida a unidades fenólicas que sólo representan un pequeño porcentaje del polímero de lignina, un hecho que limita su aplicación biotecnológica”, indica el investigador.

“Una alternativa planteada por nuestro grupo ha sido el uso conjunto de las lacasas con mediadores redox, compuestos simples que forman radicales difusibles estables, y que una vez oxidados por la enzima, éstos oxidan y degradan la lignina”, detalla. Los resultados obtenidos por el IRNAS son muy prometedores y demuestran el gran potencial del sistema lacasa-mediador para degradar la estructura de la lignina en los materiales lignocelulósicos, permitiendo que los polisacáridos queden más expuestos a las enzimas hidrolíticas, lo que se traduce en una mejora significativa en su hidrólisis, así como un incremento sustancial en la producción de bioetanol.

La UE ha marcado el objetivo de conseguir que al menos el 32% de los combustibles del transporte provenga de fuentes renovables para 2030, según la Directiva de Energías Renovables 2018/2001. El desarrollo de biocombustibles a partir de biomasa contribuye a la descarbonización del sector del transporte, uno de los grandes emisores de gases de efecto invernadero.

Marta García Gonzalo y Alejandro Parrilla / CSIC Comunicación