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De la biomasa a los productos químicos en un solo paso
Una empresa en etapa inicial surgida de la Universidad de Massachusetts, Amherst, planea comercializar un proceso catalítico para convertir la biomasa celulósica en cinco de los productos químicos que se encuentran en la gasolina. Estos productos químicos también se utilizan para fabricar polímeros y disolventes industriales. Anellotech , que está buscando financiación de riesgo, planea construir una planta piloto el próximo año.
Aserrín a gasolina: Un proceso llamado pirólisis catalítica convierte la biomasa, como el aserrín, en valiosos productos químicos. De izquierda a derecha: aserrín; productos químicos similares a lodos producidos sin el catalizador; el catalizador en polvo; la mezcla de moléculas aromáticas hecha con el catalizador.
Los reactores de Anellotech realizan un proceso llamado pirólisis catalítica, que convierte tres de las moléculas estructurales que se encuentran en las plantas, dos formas de celulosa y la molécula leñosa lignina, en combustibles. La biomasa triturada se alimenta a un reactor de alta temperatura y se mezcla con un catalizador. El calor hace que la celulosa, la lignina y otras moléculas de la biomasa se descompongan químicamente mediante un proceso llamado pirólisis; un catalizador ayuda a controlar las reacciones químicas, convirtiendo la celulosa y la lignina en una mezcla de moléculas basadas en anillos de carbono: benceno, tolueno y xilenos.
El mercado global para este grupo de productos químicos es de $ 80 mil millones al año y crece a una tasa del 4 por ciento al año, dice el director ejecutivo de Anellotech, David Sudolsky. Nuestro objetivo es competir con el petróleo que tiene un precio de 60 dólares el barril, asumiendo que no hay créditos fiscales ni subsidios, dice. El fundador de la empresa, George Huber , dice que su proceso de pirólisis catalítica puede crear 50 galones de sustancias químicas por tonelada métrica de madera u otra biomasa, con un rendimiento del 40 por ciento. Los otros productos de la reacción incluyen el coque, que se utiliza para alimentar el reactor.
La ventaja de la pirólisis es que utiliza biomasa completa, dice John Regalbuto, asesor del Programa de Catálisis y Biocatálisis de la National Science Foundation. En promedio, la lignina representa el 40 por ciento de la energía almacenada en toda la biomasa. Pero debido a que no se puede convertir en azúcares como la celulosa, la lignina no se puede utilizar como materia prima para procesos de fermentación como los que utilizan algunas empresas de biocombustibles para convertir la caña de azúcar en combustibles.
La pirólisis también es diferente de la gasificación, otro proceso para utilizar biomasa completa. La gasificación da como resultado una mezcla de carbono e hidrógeno llamada gas de síntesis, que luego se puede usar para producir combustible. La pirólisis, por el contrario, convierte la biomasa en combustibles líquidos en un solo paso. Y aunque la gasificación solo se puede realizar de forma económica a gran escala, dice Regalbuto, la pirólisis catalítica podría realizarse en refinerías más pequeñas distribuidas cerca del suministro de biomasa.
La pirólisis es una forma eficiente de utilizar biomasa, pero es difícil controlar los productos de la reacción y es difícil obtener altos rendimientos. Las claves del proceso de Anellotech, dice Huber, son un catalizador especialmente diseñado y un reactor que permite un buen control de las condiciones de reacción. El grupo de Huber en la UMass, donde es profesor de ingeniería química, fue el primero en desarrollar un proceso catalítico para convertir la biomasa directamente en gasolina, y los procesos de Anellotech se basan en este trabajo.
Hasta ahora, Huber ha desarrollado dos generaciones de un reactor en el laboratorio. En las pruebas, el grupo comienza con los residuos de aserrín de un molino local. La biomasa triturada se alimenta a un reactor de lecho fluidizado. En el interior, un catalizador sólido en polvo se arremolina en una mezcla de gas calentado a unos 600 ºC. Cuando la madera entra en la cámara, se descompone rápidamente o se piroliza en pequeñas moléculas de hidrocarburos inestables que se difunden en los poros de las partículas de catalizador. Dentro del catalizador, las moléculas se reforman para crear una mezcla de químicos aromáticos. El proceso de reacción dura poco menos de dos minutos.
La compañía no quiso revelar detalles sobre el catalizador, pero Huber dice que una de sus propiedades más importantes es el tamaño de sus poros. Si los poros son demasiado grandes, se obstruyen con cocaína, y si son demasiado pequeños, los reactivos no pueden caber, dice Huber. El catalizador de la empresa es una estructura porosa de silicio y aluminio basada en ZSM-5, un catalizador de zeolita desarrollado por Mobil Oil en 1975 y ampliamente utilizado en la industria de refinación de petróleo. Sudolsky dice que los contratistas pueden fabricarlo de forma económica. Los reactores de Anellotech son muy similares a los que se utilizan para refinar el petróleo. Pero los reactores de la empresa están diseñados para garantizar una rápida transferencia de calor y una dinámica de fluidos que asegure que los reactivos entren en un catalizador antes de convertirse en coque.
Stefan Czernik , un científico senior del Centro Nacional de Bioenergía del Laboratorio Nacional de Energía Renovable en Golden, CO, advierte que el proceso hasta ahora solo se ha demostrado a pequeña escala, y la complejidad de estos reactores podría significar un largo camino por recorrer para ampliarlos. No es fácil replicar a gran escala la relación entre la reacción química y la transferencia de calor como se hace en el laboratorio, dice.
Después de demostrar el proceso en una planta piloto el próximo año, Anellotech espera asociarse con una compañía química para construir una instalación a escala comercial en 2014. Sudolsky dice que la compañía licenciará el proceso de pirólisis catalítica a otras compañías o construirá plantas distribuidas cerca de fuentes de biomasa. ya que transportar biomasa no es económicamente viable.