Caracterización de biomasas lignocelulósicas y su procesamiento térmico: Estado y oportunidades en el Instituto Tecnológico de Costa Rica
Barra lateral del artículo
Contenido principal del artículo
Resumen
Las biomasas lignocelulósicas son materias primas con baja huella de carbono, útiles para la producción de energía, materiales y productos químicos, las cuales pueden provenir de diferentes fuentes, incluyendo actividades agroindustriales y plantaciones de rápido crecimiento. En Costa Rica, a pesar de que parte de las biomasas aprovechables se encuentran en uso, aún existe potencial. Algunas de las maneras en pueden ser aprovechadas y proveer una amplia gama de productos es mediante procesamientos térmicos tales como combustión para obtener energía, torrefacción o carbonización para obtener combustibles sólidos, pirólisis para obtener (mayoritariamente) productos líquidos o gasificación para obtener gases que pueden ser usados como combustibles o procesados posteriormente para obtener productos químicos de alto valor. Para lograr una implementación práctica de dichos procesos, es necesario caracterizar adecuadamente los materiales de partida, así como conocer en detalle su comportamiento bajo condiciones específicas de procesamiento. Para ambos, el Instituto Tecnológico de Costa Rica (ITCR) cuenta con capacidad instrumental y talento humano adecuados. Herramientas disponibles tales como métodos de caracterización fisicoquímicos mediante análisis químicos tradicionales, análisis instrumental (mediante técnicas de espectroscopia, microscopia, difractometría y análisis térmicos, entre otras), así como capacidades en torrefacción, carbonización, pirólisis, gasificación y simulaciones computacionales, unidos con personal capacitado en diferentes campos, hacen de dicha institución un lugar adecuado para estudiar e impulsar tecnologías que pueden ser de interés general. En este trabajo, se analizan experiencias exitosas y oportunidades en el ITCR relacionadas con caracterización de biomasas lignocelulósicas y su procesamiento térmico.
Detalles del artículo
Esta obra está bajo una licencia internacional Creative Commons Atribución-NoComercial-SinDerivadas 4.0.
Los autores conservan los derechos de autor y ceden a la revista el derecho de la primera publicación y pueda editarlo, reproducirlo, distribuirlo, exhibirlo y comunicarlo en el país y en el extranjero mediante medios impresos y electrónicos. Asimismo, asumen el compromiso sobre cualquier litigio o reclamación relacionada con derechos de propiedad intelectual, exonerando de responsabilidad a la Editorial Tecnológica de Costa Rica. Además, se establece que los autores pueden realizar otros acuerdos contractuales independientes y adicionales para la distribución no exclusiva de la versión del artículo publicado en esta revista (p. ej., incluirlo en un repositorio institucional o publicarlo en un libro) siempre que indiquen claramente que el trabajo se publicó por primera vez en esta revista.
Citas
BP, “Statistical Review of World Energy 2020,” BP, 2020.
IPCC, “Climate Change 2014: Synthesis Report. Contribution of Working Groups I, II and III to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change,” IPCC, 2014.
IEA, “World Energy Outlook 2020,” IEA, 2020.
SEPSE, “Balance Energético Nacional,” Secretaría de Planificación del Subsector Energía (SEPSE), 2012-2019.
UNFCCC, United Nations Framework Convention on Climate Change, 2005.
P. Basu, Biomass Gasification and Pyrolysis: Practical Design and Theory. Academic Press, 2010.
D. Arias-Aguilar, “Dendroenergía como un nuevo vector energético: hacia una economía baja en carbono,” Revista Energía, vol. 68-2018, pp. 18-31, 2018.
R. D. Silva-Martínez, A. Sanches-Pereira, W. Ortiz, M. F. Gómez Galindo, and S. T. Coelho, “The state-of-the-art of organic waste to energy in Latin America and the Caribbean: Challenges and opportunities,” Renewable Energy, vol. 156, pp. 509-525, 2020.
P. McKendry, “Energy production from biomass (part 1): overview of biomass,” Bioresource Technology, vol. 83, no. 1, pp. 37-46, 2002.
L. R. Chacón, O. Coto, and O. M. Flores, “Actualización de la encuesta de biomasa como insumo para su incorporación en la matriz energética de Costa Rica,” EMA Energía Medio Ambiente y Desarrollo S.A., 2018.
MICITT, “Estrategia Nacional de Bioeconomía Costa Rica 2020-2030,” Ministerio de Ciencia, Tecnología y Telecomunicaciones (MICITT), 2020.
SEPSE, “VII Plan Nacional de Energía 2015-2030,” Secretaría de Planificación del Subsector Energía (SEPSE), 2020.
S. V. Vassilev, D. Baxter, L. K. Andersen, and C. G. Vassileva, “An overview of the chemical composition of biomass,” Fuel, vol. 89, no. 5, pp. 913-933, 2010.
W. De Jong and J. R. Van Ommen, Eds. Biomass as a Sustainable Energy Source for the Future: Fundamentals of Conversion Processes. John Wiley & Sons, 2014.
R. Brown, Ed. Thermochemical Processing of Biomass: Conversion into Fuels, Chemicals and Power. John Wiley & Sons, 2019.
J. Ralph, C. Lapierre, and W. Boerjan, “Lignin structure and its engineering,” Current Opinion in Biotechnology, vol. 56, pp. 240-249, 2019.
R. P. Overend, T. A. Milne, and L. K. Mudge, Eds. Fundamentals of Thermochemical Biomass Conversion. Elsevier Applied Science Publishers, 1985.
D. L. Karlen, Ed. Cellulosic Energy Cropping Systems. John Wiley & Sons, 2014.
J. B. Holm-Nielsen and E. A. Ehimen, Eds. Biomass Supply Chains for Bioenergy and Biorefining. Elsevier and Woodhead Publishing, 2016.
S. V. Vassilev, D. Baxter, L. K. Andersen, and C. G. Vassileva, “An overview of the composition and application of biomass ash. Part 1. Phase–mineral and chemical composition and classification,” Fuel, vol. 105, pp. 40-76, 2013.
J. Cai et al., “Review of physicochemical properties and analytical characterization of lignocellulosic biomass,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 76, pp. 309-322, 2017.
J. Yan et al., “Characterizing Variability in Lignocellulosic Biomass: A Review,” ACS Sustainable Chemistry & Engineering, vol. 8, no. 22, pp. 8059-8085, 2020.
S. Vaz Jr, Ed. Analytical Techniques and Methods for Biomass. Springer, 2016.
D. Harris and S. DeBolt, “Relative Crystallinity of Plant Biomass: Studies on Assembly, Adaptation and Acclimation,” PLOS ONE, vol. 3, no. 8, p. e2897, 2008.
F. Xu, J. Yu, T. Tesso, F. Dowell, and D. Wang, “Qualitative and quantitative analysis of lignocellulosic biomass using infrared techniques: A mini-review,” Applied Energy, vol. 104, pp. 801-809, 2013.
R. García, C. Pizarro, A. G. Lavín, and J. L. Bueno, “Biomass proximate analysis using thermogravimetry,” Bioresource Technology, vol. 139, pp. 1-4, 2013.
J. F. Saldarriaga, R. Aguado, A. Pablos, M. Amutio, M. Olazar, and J. Bilbao, “Fast characterization of biomass fuels by thermogravimetric analysis (TGA),” Fuel, vol. 140, pp. 744-751, 2015.
A. Anca-Couce et al., “Biomass pyrolysis TGA assessment with an international round robin,” Fuel, vol. 276, p. 118002, 2020.
A. Puente-Urbina, J. P. Morales-Aymerich, Y. S. Kim, and J. F. Mata-Segreda, “Drying kinetics and assessment of relative energy cost for drying of woody biomasses,” International Journal of Renevable Energy & Biofuels, vol. 2016, p. 701233, 2016.
O. O. Olatunji, S. A. Akinlabi, M. P. Mashinini, S. O. Fatoba, and O. O. Ajayi, “Thermo-gravimetric characterization of biomass properties: A review,” IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, vol. 433, p. 012175, 2018.
H. C. Ong, W.-H. Chen, Y. Singh, Y. Y. Gan, C.-Y. Chen, and P. L. Show, “A state-of-the-art review on thermochemical conversion of biomass for biofuel production: A TG-FTIR approach,” Energy Conversion and Management, vol. 209, p. 112634, 2020.
M. Radojević, B. Janković, D. Stojiljković, V. Jovanović, I. Čeković, and N. Manić, “Improved TGA-MS measurements for evolved gas analysis (EGA) during pyrolysis process of various biomass feedstocks. Syngas energy balance determination,” Thermochimica Acta, vol. 699, p. 178912, 2021.
A. Demirbas, “Combustion of Biomass,” Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects, vol. 29, no. 6, pp. 549-561, 2007.
P. McKendry, “Energy production from biomass (part 3): gasification technologies,” Bioresource Technology, vol. 83, no. 1, pp. 55-63, 2002.
M. Verma, S. Godbout, S. K. Brar, O. Solomatnikova, S. P. Lemay, and J. P. Larouche, “Biofuels Production from Biomass by Thermochemical Conversion Technologies,” International Journal of Chemical Engineering, vol. 2012, p. 542426, 2012.
A. Demirbas and G. Arin, “An Overview of Biomass Pyrolysis,” Energy Sources, vol. 24, no. 5, pp. 471-482, 2002.
R. Moya and C. Tenorio, “Fuelwood characteristics and its relation with extractives and chemical properties of ten fast-growth species in Costa Rica,” Biomass and Bioenergy, vol. 56, pp. 14-21, 2013.
C. Tenorio and R. Moya, “Thermogravimetric characteristics, its relation with extractives and chemical properties and combustion characteristics of ten fast-growth species in Costa Rica,” Thermochimica Acta, vol. 563, pp. 12-21, 2013.
A. Puente-Urbina, “Determination of useful parameters to decide the suitability of a biomass to be used as raw material for thermochemical processes,” presented at the American Chemical Society National Meeting & Exposition, Denver, 2015.
R. Moya, A. Rodriguez-Zuniga, and A. Puente-Urbina, “Thermogravimetric and devolatilisation analysis for five plantation species: Effect of extractives, ash compositions, chemical compositions and energy parameters,” Thermochimica Acta, vol. 647, pp. 36-46, 2017.
A. Puente-Urbina, R. Moya, J. Gaitan-Alvarez, and A. Rodriguez-Zuniga, “Torrefaction analysis of woody biomasses from fast-growing plantations of Costa Rica,” presented at the European Biomass Conference & Exhibition, Stockholm, 2017.
R. Moya, A. Rodriguez-Zuniga, A. Puente-Urbina, and J. Gaitan-Alvarez, “Study of light, middle and severe torrefaction and effects of extractives and chemical compositions on torrefaction process by thermogravimetric analysis in five fast-growing plantations of Costa Rica,” Energy, vol. 149, pp. 1-10, 2018.
J. Gaitan-Alvarez, R. Moya, A. Puente-Urbina, and A. Rodriguez-Zuniga, “Thermogravimetric, devolatilization rate, and differential scanning calorimetry analyses of biomass of tropical plantation species of Costa Rica torrefied at different temperatures and times,” Energies, vol. 11, no. 4, p. 26, 2018, Art. no. 696.
J. Gaitan-Alvarez, R. Moya, A. Rodriguez-Zuniga, and A. Puente-Urbina, “Characterization of torrefied biomass of five reforestation species (Cupressus lusitanica, Dipteryx panamensis, Gmelina arborea, Tectona grandis, and Vochysia ferruginea) in Costa Rica,” Bioresources, vol. 12, no. 4, pp. 7566-7589, 2017.
J. Gaitan-Alvarez, R. Moya, A. Puente-Urbina, and A. Rodriguez-Zuniga, “Physical and compression properties of pellets manufactured with the biomass of five woody tropical species of Costa Rica torrefied at different temperatures and times,” Energies, vol. 10, no. 8, p. 17, 2017, Art. no. 1205.
J. Quesada-Kimzey, “Carbonize it? Simple test method to see whether carbonization is a good valorization choice for a material,” presented at the American Chemical Society National Meeting & Exposition, San Diego, 2016.
J. F. Quesada-Kimzey, P. Zuniga, and T. Gmelch, “Continuous laboratory scale hydrothermal reactor for biomassic materials with high water contents,” presented at the American Chemical Society National Meeting & Exposition, San Diego, 2016.
A. M. Brenes, M. Gudino, J. Castro, J. Rodriguez, and A. Puente-Urbina, “Determination of suitable parameters to produce activated carbons from Costa Rican residual woody biomasses,” presented at the American Chemical Society National Meeting & Exposition, San Diego, 2016.
C. Torres, M. Chaves, L. Urvina, and R. Moya, “Evaluación de la incidencia de pellets y astillas de madera en el desempeño de un gasificador tipo “downdraft”,” Revista Forestal Mesoamericana Kurú, vol. 15, pp. 25-36, 2018.
J. A. Castillo-Benavides, G. Richmond-Navarro, F. Rojas-Pérez, and E. Zamora-Picado, “Revisión de los sistemas de gasificación de biomasa para la generación de energía en Costa Rica de 1982 a 2014,” Revista Tecnología en Marcha, vol. 31, no. 4, pp. 3-14, 2018.
A. Caballero-Chavarria et al., “Simulación de gasificación de biomasa enriquecida con hidrocarburos,” Tecnologia En Marcha, vol. 32, no. 4, pp. 60-68, 2019.