Biorrefinerías, el futuro para la transición hacia la (bio)economía circular - Urbiofin
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|| bioenergía
Biorrefinerías, el futuro
para la transición hacia
la (bio)economía circular
J. C. López Neila, M. G. Acedos y B. Ruiz Fuertes
Departamento de Biotecnología, AINIA
Biorrefinerías, una
Los últimos avances en biorrefinerías posicionan a estas como pilar clave alternativa de futuro
en políticas nacionales e internacionales que apuestan por la bioeconomía para el aprovechamiento
circular. La producción sostenible de químicos bio-basados a partir de de distintas biomasas
En las últimas décadas se ha produ-
residuos mejora su viabilidad y dibuja una perspectiva de mercado que
cido un crecimiento demográfico
avanza hacia su competitividad respecto a las alternativas fósiles.
mundial sin precedentes, que lleva
a estimar que seremos unos 9.500
Palabras clave: Biomasa, Bioproducto, Biotecnología, Químico bio-basado, millones de habitantes en 2050. Esta
Residuos, Sostenibilidad,Valorización situación empieza a hacer más que
evidentes algunos de los principales
The latest advances in biorefineries position these as key pillars in problemas de nuestra sociedad en
national and international policies that are committed to the circular este futuro próximo, a menos de 50
bioeconomy. The sustainable production of bio-based chemicals from años vista, tales como el aumento en
waste improves its viability and draws a market perspective that advances la demanda de recursos fósiles, las
towards its competitiveness with respect to fossil alternatives. previsiones de agotamiento de los
mismos y el impacto ambiental que
conlleva su uso. Además, se prevé un
Keywords: Biomass, Bioproduct, Biotechnology, Bio-based chemical, Waste, aumento en la demanda de alimen-
Sustainability,Valorization tos, de acuerdo al incremento de de-
manda, de 200 a 360-1250 millones
de toneladas estimado para 2050, lo
que hará necesaria la búsqueda de
50 Industria Química Abril 2020
|| bioenergía fuentes proteicas alternativas para duos de origen agrícola, ganadero o energía generados, pudiendo ser cen- abastecer dichas necesidades [1, 2]. urbano en forma de compost y a lo tralizadas o modulares y bajo distintas A esto hay que sumar los problemas sumo biogás, el concepto de biorre- escalas. Las biorrefinerías integran dis- medioambientales que se están expe- finería amplía el abanico de biomasas tintos procesos mecánicos, termoquí- rimentando en distintos puntos del utilizadas, de tecnologías aplicadas y micos y/o biológicos entre sus etapas, planeta como consecuencia de las de bioproductos de valor añadido ge- de forma que pueden distinguirse en mayores emisiones de gases de efec- nerados, siendo estos tanto energéti- ellas: i) procesos primarios de acondi- to invernadero, o la acumulación de cos (combustibles, electricidad, calor) cionado, que transforman la biomasa residuos procedentes de las distintas como no energéticos (piensos, alimen- en intermediarios (azúcares, ácidos actividades antropogénicas (~3 millo- tos, biomateriales, químicos), y de in- grasos volátiles, biogás, etc.) y ii) pro- nes t/d actualmente) [2, 3]. terés en la industria textil, cosmética, cesos secundarios de transformación En este contexto, las biorrefine- alimentaria, farmacéutica o del auto- y procesado de estas plataformas en rías –entendidas como instalaciones móvil, entre otras (Figura 1) [2, 4, 5]. el producto final [4]. Si bien han sido integradas en las que se realiza una Estas biorrefinerías se caracterizan descritos infinidad de modelos de bio- conversión sostenible de biomasa en por el uso de fuentes renovables (en rrefinerías, generalmente clasificados un gran abanico de (bio)productos de contraposición a las refinerías petro- en función del grado de desarrollo interés industrial– han surgido en los químicas convencionales) y por el em- tecnológico u origen de la materia últimos años buscando el concepto de pleo de procesos ecoeficientes y con prima (biorrefinerías de 1ª, 2ª o 3ª ge- economía circular y representan una baja huella ambiental [6]. Además, neración), del tipo de biomasa (agrí- de las apuestas de futuro para solven- suelen ubicarse en un ámbito agríco- cola, forestal, ganadera, industrial o tar algunos de los problemas mencio- la o industrial atendiendo al lugar en doméstica) o de la plataforma quími- nados anteriormente. Así, frente al que la materia prima esté disponible ca predominante (azúcares, proteínas, tradicional aprovechamiento de resi- y al futuro uso de los bioproductos/ biogás, gas de síntesis, etc.), todos Figura 1. Principales tipos de biomasas, tecnologías y bioproductos de los modelos de biorrefinería actuales (adaptado de [2]) www.industriaquimica.es Industria Química 51
Biorrefinerías, el futuro para la transición hacia la (bio)economía circular
ellos suelen pivotar sobre tecnologías Estado actual de las aceites vegetales y lípidos, vii) de acei-
de relativamente gran madurez, sea a biorrefinerías en Europa tes de pirólisis, viii) de jugo extraído a
inicio o fin de proceso [2, 6]. Este es Actualmente, Europa cuenta con un presión, ix) de biogás y x) de gas de
el caso de la tecnología de digestión total de 2.362 biorrefinerías, centra- síntesis (en inglés, syngas) [10, 11]. Las
anaerobia en una o dos fases, una das en procesos productivos comple- categorías de productos de biorrefine-
biotecnología de gran versatilidad en tos o parciales (desarrollo de procesos ría más frecuentes en estas instalacio-
lo que al uso de materias primas se primarios o secundarios), de produc- nes son las de celulosa y papel, quí-
refiere, y con capacidad para la multi- ción única o múltiple de compuestos micos bio-basados y madera (24, 22 y
producción de un amplio espectro de de valor añadido, con o sin autoa- 21 %, respectivamente), seguidas de
bioproductos (biometano, bioplásti- bastecimiento de energía en planta, biometano (16 %) y biocombustibles
cos, ácidos orgánicos, biofertilizantes, y a distintas escalas (piloto, demo líquidos (14 %). Es importante desta-
etc.), de aplicación en sectores como o comercial). La mayor densidad de car que un 33 % de estas instalacio-
el químico, el de los plásticos o el de biorrefinerías se encuentra en Cen- nes incorporan tecnologías de obten-
la cosmética, entre otros (Figura 2). Si troeuropa, especialmente en Bélgica, ción de energía (combustibles, calor
bien esta tecnología ha sido común- Países Bajos y Alemania, seguido de o electricidad) en sus instalaciones y,
mente utilizada en los modelos de ciertas regiones industrializadas de por tanto, pueden autoabastecerse en
biorrefinería para el aprovechamiento Francia e Italia [9-11]. planta e incrementar la sostenibilidad
de corrientes residuales y autoabaste- Diez productos o compuestos, co- del proceso que llevan a cabo [11].
cimiento energético en planta, en los nocidos como plataformas químicas En lo referente a materias primas, el
últimos años ha ganado peso en los han sido identificados en estas ins- mayor número de biorrefinerías en la
procesos de adecuación aguas arriba talaciones como predominantes y de UE se basa en el uso de biomasa de
de proceso (o upstreaming), tanto mayor potencial: i) la de polisacáridos origen agrícola y forestal (especialmen-
para el pretratamiento de los comple- de bajo peso molecular (p.e. lactosa, te en países como Finlandia y Suecia),
jos residuos a veces utilizados como sacarosa), ii) la de carbohidratos po- doméstica (especialmente en Alema-
materia prima, como para potenciar liméricos (almidón o pectina), iii) de nia, Países Bajos, Francia, Reino Unido
la plataforma de ácidos grasos voláti- componentes lignocelulósicos (ligni- y España) y marina (especialmente en
les (AGVs) que de ella se deriva [7, 8]. na, celulosa o hemicelulosa), iv) de Francia, Países Bajos y España). Es im-
proteínas, v) de fibras vegetales, vi) de portante destacar que el 43 % de estas
Figura 2. Modelo de integración de tecnologías de digestión anaerobia en dos fases dentro del concepto de biorrefinería
52 Industria Química Abril 2020
|| bioenergía
instalaciones a nivel europeo son bio- El mercado actual de productos de
rrefinerías de residuos, es decir, utilizan las biorrefinerías está representado »» Los químicos bio-
residuos o subproductos como materia
prima, siendo en su mayoría de origen
en gran parte por biocombustibles
líquidos tales como el bioetanol y el
basados representan
agrícola (50 %), forestal (24 %) y do- biodiésel, que, desde la década de los una alternativa a
méstica (26 %) [10]. 80, son producidos a partir de azúca-
los derivados del
A nivel particular, España ocupa la res y grasas, fundamentalmente me-
séptima posición en cuanto al núme- diante transformaciones biológicas petróleo, dadas
ro total de biorrefinerías (108 insta- y termoquímicas [12]. No obstante, sus características
laciones), con independencia de las existen y han cobrado relevancia en
capacidades de producción de éstas. los últimos años en mercado otros equivalentes, y se
La mayor contribución viene dada por productos químicos con valor aña- está avanzando en
instalaciones de producción de pasta dido, o utilizados como precursores
y papel (43 %), ubicadas mayorita- para la producción de otros de mayor su competitividad en
riamente en las comunidades de País valor en mercado, y que se producen mercado
Vasco, Aragón y Cataluña. A estas le mediante microorganismos o enzi-
siguen instalaciones de producción de mas. Son los denominados químicos
químicos bio-basados (28 %) y bio- bio-basados [13]. tes para caucho, plásticos y fibras
combustibles líquidos (18 %), reparti- La clasificación de los químicos bio- sintéticas [14, 15]. Los compuestos
das más uniformemente de acuerdo a basados generalmente atiende al uso que encontramos en estos grupos se
los datos facilitados en la base de da- final que potencialmente tienen, de pueden emplear en distintos sectores
tos del Joint Research Centre (JCR) de forma que se distingue entre: i) pla- industriales tales como el propio sec-
la Comisión Europea (Figura 3) [11]. taformas químicas, ii) disolventes, iii) tor químico, en el que encontramos
polímeros para síntesis de plásticos, los denominados disolventes verdes
Productos químicos bio- iv) pinturas, revestimientos, tintes y (2,3 butanodiol, 1,3- propanodiol, n-
basados, una alternativa colorantes, v) surfactantes, vi) cos- butanol o el etanol) [16-18]; el sector
a los recursos fósiles méticos y productos para el cuidado del plástico, en el que destacan el PLA
en el concepto de las personal, vii) adhesivos, viii) lubrican- (ácido poliláctico), los PHAs (polihi-
biorrefinerías tes, y ix) plastificantes y estabilizan- droxialcanoatos) o el ácido succínico
Figura 3. Distribución de biorrefinerías y porcentaje de las distintas categorías de bioproductos generados en estas a nivel
nacional
www.industriaquimica.es Industria Química 53
Biorrefinerías, el futuro para la transición hacia la (bio)economía circular Figura 4. Mercado de los compuestos químicos bio-basados de la Unión Europea (UE-28) (adaptado de [25]) como precursores de bioplásticos [19- Los químicos bio-basados mencio- tal, sino también social y económica, 21]; o el sector agroalimentario, con nados son solo algunos de los pre- lo que conlleva un largo proceso de compuestos como la pectina, el ácido sentes en el gran abanico que ofre- desarrollo previo a la implementación L-láctico, ácido glutámico o el xilitol cen actualmente las biorrefinerías, y industrial [27-29]. [22]; hasta el sector cosmético, con que terminarán ocupando un nicho Así, para poder desarrollar una bio- compuestos como la dihidroxiacetona importante en el mercado confor- rrefinería con cierto éxito, es necesario (DHA) o la ectoína [23, 24]. me los procesos productivos sean contar en primer lugar con las tecno- En este sentido, la Figura 4 muestra optimizados a partir de las distintas logías necesarias para conseguir trans- la cuota de mercado de varios de es- biomasas. En este sentido, cabe des- formar la materia prima de interés en tos grupos de químicos bio-basados y tacar, por último, el potencial de los un compuesto determinado. Esto im- la previsión de crecimiento anual en avances que se están consiguiendo plica seleccionar adecuadamente des- la Unión Europea, así como la depen- en disciplinas tales como la biología de los pretratamientos de adecuación dencia de importaciones de los mis- de sistemas y la ingeniería metabó- de la materia prima hasta los procesos mos [14, 15, 25]. Se observa que la lica, pues están facilitando la obten- de transformación en el producto fi- representación en el mercado de los ción de microorganismos modifica- nal mediante catalizadores biológicos compuestos químicos bio-basados dos genéticamente a medida para o químicos. El número de etapas ne- producidos por vías biotecnológicas maximizar los rendimientos de pro- cesarias para ello está definido por es notable, y las previsiones de creci- ducción en estos bioprocesos [26]. distintos factores, como puede ser la miento anual a cinco años vista son naturaleza y necesidades del producto significativas. Asimismo, es impor- Claves de una final, la naturaleza y complejidad de tante destacar también que actual- biorrefinería de éxito la materia prima a emplear y, sobre mente la mayoría de las categorías – el modelo Urbiofin todo, la economía del proceso. Esto de químicos bio-basados presenta Como se indicó anteriormente, las implica que, desde el inicio, una bio- una fuerte dependencia de importa- biorrefinerías desarrollan procesos rrefinería debe estar adecuadamente ciones en la UE, especialmente en el de manera sostenible, pero no solo diseñada, evitándose, en la medida de caso de plastificantes y disolventes. desde una perspectiva medioambien- lo posible, combinaciones que inclu- 54 Industria Química Abril 2020
Biorrefinerías, el futuro para la transición hacia la (bio)economía circular Figura 5. Diagrama de la biorrefinería URBIOFIN (adaptado de [34]). RSU: Residuos sólidos urbanos, FORSU: Fracción orgánica de residuos sólidos urbanos, AD1/AD2: Fases 1 y 2 del proceso de digestión anaerobia, AGVs: Ácidos grasos volátiles, AGCM: Áci- dos grasos de cadena media, scl-PHAs: PHAs de cadena corta, mcl-PHAs: PHAs de cadena media, SPBD: Secado en lecho fluidiza- do (en inglés, spouted bed drying), AA: Aminoácidos yan procesos multietapa, complejos deseados que, en algunos casos, lle- que probable que los precios de sus y/o de bajo rendimiento, con el fin ga a representar hasta el 70-80 % de productos disminuyan en un futuro de hacerla económicamente viable los costes totales de producción. Por próximo, resultando más competitivos [30]. Esto cobra especial sentido en ello, en este tipo de casos solamente con respecto a los ya existentes deriva- el caso de las biorrefinerías de resi- la biorrefinería se ve compensada con dos del petróleo [33]. Este es el claro duos, donde las materias primas es- un buen diseño, autoabastecimiento ejemplo del modelo de biorrefinería tán constituidas por matrices de gran energético en planta o un alto valor desarrollado en el proyecto Urbiofin, complejidad, y la selección y diseño de del producto final generado [31, 32]. cuyo objetivo se centra en demos- los procesos de upstreaming resultan Además, se debe realizar una investi- trar la viabilidad técnico-económica clave. Así, por ejemplo, en el caso de gación muy bien estructurada con el y medioambiental de una biorrefine- los residuos lignocelulósicos (restos de fin de diseñar la escala de la biorrefi- ría urbana para valorizar hasta 10 t/d poda o restos vegetales de la industria nería, la mezcla de las diferentes ma- de residuos sólidos urbanos (RSU) en agroalimentaria), es necesario con- terias primas utilizadas y las caracterís- hasta tres categorías de bioproductos templar que la resistente estructura ticas del producto requeridas, siempre (químicos intermediarios, biopolíme- de las células vegetales requiere de la con foco a la localización geográfica ros y aditivos), generando de forma aplicación de distintos pretratamien- de la misma y a las materias primas perfectamente integrada nuevas ca- tos (mecánicos, físicos y/o químicos), disponibles en el área [6, 33]. denas de valor en el proceso de ges- seguidos frecuentemente de una hi- Aunque las biorrefinerías actuales tión de estos residuos [34]. Se trata de drólisis enzimática y la actuación de no presentan el grado de optimización un proyecto demostrativo financiado microorganismos para bioproducir el y madurez de las refinerías de recursos por el consorcio público-privado Bio- compuesto de interés. Además, este fósiles convencionales, el vertiginoso Based Industries Joint Undertaking compuesto generalmente no tiene la avance de sus tecnologías -respalda- (BBI-JU) del programa Horizonte pureza requerida aguas abajo, por lo do por medidas políticas específicas 2020, coordinado por la empresa es- que es necesario realizar un proceso y programas de financiación pública, pañola Imecal S.A., y que cuenta con de purificación (en inglés, downstrea- en línea con las prioridades del recien- la participación de hasta 16 socios ming) para eliminar compuestos no te Pacto Verde Europeo– hace más (Ainia, Urbaser, Biomasa Peninsular, 56 Industria Química Abril 2020
|| bioenergía
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