Estudio técnico-económico de la biorrefinería de los residuos de industrialización primaria de la madera y agroindustriales

Abstract

Una biorrefinería es una estructura que integra procesos de producción de combustibles y productos químicos a partir de biomasa. Esto permite el uso eficiente de las materias primas y los procesos, integrando la generación de energía con la fabricación de una amplia gama de productos de alto valor agregado, lo que generará una nueva cadena de valor ambiental y económicamente sostenible. El concepto de biorrefinería forestal es análogo al de refinerías de petróleo, que producen múltiples combustibles y productos a partir del petróleo, pero planteando su implantación a partir de biomasa lignocelulósica mediante conversión química, termoquímica y biológica de la biomasa podrían obtenerse bioproductos, biomateriales, químicos, plásticos, energía, etanol, biogás, carbón, otros combustibles. En el Noreste Argentino (NEA), los residuos foresto industriales y agroindustriales constituyen recursos naturales renovables disponibles en grandes cantidades y de bajo costo y no se aprovechan adecuadamente, tal es el caso del bagazo de caña de azúcar y el aserrín de pino. Por ello, la biomasa lignocelulósica se revela como una fuente importante de materias primas. En el presente trabajo, mediante una extensa revisión bibliográfica, diseño de diagramas de flujos, balances de masa y energía, modelización y simulación, integración energética y de procesos y análisis económicos, se desarrollaron y analizaron esquemas seleccionados de biorrefinería aplicados a pequeñas escalas, considerando el contexto local (pudiendo extenderse su aplicación a otros residuos lignocelulósicos y otras regiones de Argentina y fuera del país). Como resultado de este análisis, se identificaron rutas de procesamiento promisorias, desafíos para el desarrollo de la cadena de valor, y riesgos que se deben considerar para que la inversión en biorrefinerías forestales y agroindustriales resulten atractivas. A partir del bagazo de caña de azúcar, se desarrolló un modelo cinético del proceso de autohidrólisis el cual fue optimizado (condiciones de tiempo y temperatura) teniendo en cuenta el consumo energético del proceso y la solubilización de azúcares. En una primera parte, se analizaron esquemas de biorrefinerías para obtener diversos productos a partir de la fracción hemicelulósica (jarabe de xilosa, furfural, xilitol) y lignocelulósica (MDF y generación energética). Considerando una pequeña escala de 15.000 toneladas de bagazo al año, se determinó que la producción de xilitol junto a la generación energética o producción de MDF, podrían significar una alternativa atractiva si se optimizaran los procesos (TIR 11,2 % para ambos casos, para una inversión aproximada de 32,6 y 47,6 millones de dólares). En una segunda parte, se propuso una reducción en la relación líquido-sólido del proceso de autohidrólisis lo que produjo una disminución del consumo energético en los procesos de autohidrólisis y evaporación (20 % comparando la segunda parte respecto de la primera). Se determinó que la alternativa de xilitol y pellets es la alternativa más rentable (TIR de 11,8 % y una inversión de 32,1 millones de dólares). Además, se determinó la mínima escala de producción para obtener una TIR considerada aceptable (15 %). Los resultados muestran que se necesitarían procesar 20.000 toneladas/año para xilitol y pellets y 50.000 toneladas/año para xilitol y etanol. Se realizó un análisis de sensibilidad para los esquemas propuestos para el bagazo de caña de azúcar como materia prima. Se determinó que el precio del producto final y el costo del vapor son factores que tienen gran influencia en el valor de la TIR. Al igual que para el bagazo de caña de azúcar, se desarrollaron esquemas de valorización para el aserrín de pino. Se propuso la obtención de ácidos carboxílicos a partir de la fracción hemicelulósica (ácido levulínico, ácido fórmico y furfural) y producción de vapor y pellets a partir de la fracción lignocelulósica. Se determinó que, para una pequeña escala de producción (128.800 ton/año), la producción de ácidos carboxílicos y de vapor de proceso significarían una alternativa atractiva de valorización del aserrín de pino (TIR de 16,2 %), además se lograría una mejora en la TIR si se realiza la integración energética de las corrientes (TIR de 16,6 %), implicando una inversión de capital aproximada de 72,7 millones de USD. Mediante un análisis de sensibilidad, se determinó que, entre los parámetros de costos, el precio de comercialización del ácido levulínico es el factor más importante, seguido por el costo del vapor. Adicionalmente, como una estrategia de reducción de costos se analizó la integración en masa por la vía de la recirculación del licor en el proceso de hidrólisis ácida. Se determinó que podría significar una alternativa interesante en la reducción de consumos energéticos, insumos, materias primas y el tamaño del equipamiento requerido. Se determinó que es posible reducir casi en un 50 % del costo de operación (teniendo en cuenta los procesos de hidrólisis ácida y evaporación) del licor con azúcares concentrados (166 g de azúcares/L). De los esquemas analizados se determinó que existen alternativas de valorización para los residuos analizados (bagazo de caña de azúcar y aserrín de pino) que podrían ser implementados en las cadenas productivas regionales. Se determinó que existen estrategias de reducción de costos (integración energética y recirculación) que podrían mejorar los indicadores económicos de los procesos analizados.

A biorefinery is a structure that integrates the production processes of fuels and chemical products from biomass. Above mentioned allows the efficient use of raw materials and processes, integrating energy generation with the manufacture of a wide range of products with high added value that will generate a new environmental and economically sustainable value chain. The concept of forest biorefinery is analogous to that of oil refineries, which produce multiple fuels and products from oil. Considering the biorefinery implantation from lignocellulosic biomass through chemical, thermochemical and biological conversion could be obtained several bioproducts, biomaterials, chemicals, plastics, energy, ethanol, biogas, coal, and other fuels. In the Northeast of Argentina (NEA), industrial and agroindustrial forestry residues are renewable natural resources available in large quantities and at low cost. Those residues are not adequately exploited, such as sugarcane bagasse and pine sawdust. Therefore, lignocellulosic biomass is revealed as an important source of raw materials. In the present work, it has been made an extensive literature review, flow diagrams design, mass and energy balances, modeling and simulation, energy and process integration and economic analysis. In addition, there were developed and analyzed biorefinery schemes applied at small scales considering the local context (its application can be extended to other lignocellulosic residues, other regions of Argentina and outside the country). As a result of this analysis were identified: promising processing routes, challenges for the development of the value chain, and risks that must be considered; so that investment in forestry and agro-industrial biorefineries be attractive. From the bagasse of sugarcane, a kinetic model of autohydrolysis process was developed and optimized (time and temperature conditions) taking under consideration the energy consumption of the process and sugars solubilization. In the first part, biorefinery schemes were analyzed to obtain several products from the hemicellulosic fraction (xylose syrup, furfural, xylitol) and lignocellulosic fraction (MDF and energy generation). A small scale of 15,000 tons of bagasse per year was considered for xylitol production together with energy generation, or MDF production could be an attractive alternative if the processes were optimized (IRR 11.2% for both cases, for an investment of approximately 32.6 and 47.6 million of USD). In a second part, a reduction in the liquid-solid ratio of the autohydrolysis process was proposed, which produced a decrease in energy consumption in processes of autohydrolysis and evaporation (20 % less with respect to the first part of the analysis). It was determined that the alternative of xylitol and pellets is the most profitable alternative (IRR of 11.8 % and an investment of 32.1 million USD). In addition, the minimum production scale was determined to obtain an IRR considered acceptable (15 %). The results show that it would be necessary to process 20,000 tons/year for xylitol and pellets and 50,000 tons/year for xylitol and ethanol. A sensitivity analysis was carried out for the sugarcane bagasse schemes proposed. It allowed determining that the price of the final product and the steam cost are the factors that have a great influence on the IRR value. As for sugarcane bagasse, recovery schemes were developed for pine sawdust as well. From pine sawdust, it was proposed to obtain carboxylic acids from the hemicellulosic fraction (levulinic acid, formic acid and furfural) and to produce steam and pellets from the lignocellulosic fraction. It was determined that, for a small production scale (128,800 tons / year), the production of carboxylic acids and process steam would is an attractive alternative for the recovery of pine sawdust (TIR of 16.2%), as well as an improvement in the IRR if the energy integration of the currents is realized (IRR of 16.6%), implying a capital investment of approximately 72.7 million USD. Through a sensitivity analysis, it was determined that, among cost parameters, the selling price of levulinic acid is the most important factor, followed by the cost of steam. Additionally, as a cost reduction strategy, mass integration was analyzed through the liquor recirculation in the acid hydrolysis process. It was determined that it could be an interesting alternative in the reduction of energy consumption, inputs, raw materials and the size of the equipment required. It was determined that it is possible to reduce almost 50 % of the operating cost (taking into account the processes of acid hydrolysis and evaporation) of the liquor with concentrated sugars (166 g /L of sugars). From the analyzed schemes, the alternatives for the valorization of the analyzed waste (bagasse of sugarcane and pine sawdust) were determined which could be implemented in the productive regional chains. Strategies were determined for cost reduction (energy integration and recirculation) that could improve the economic indicators of the processes analyzed.