Estrategias de bajo coste para la producción de bio-aceites derivados de la pirólisis de biomasa lignocelulósica

Tesis presentada para la obtención del grado de Doctor en Ingeniería Química y del Medio Ambiente por la Universidad de Zaragoza.-- Fecha de lectura de la tesis: 16/06/2022.-- Sobresaliente "cum laude".El uso de la biomasa lignocelulósica está suscitando un gran interés en los últimos años, ya que mediante su procesado es posible obtener productos de alto valor añadido potencialmente complementarios y/o sustitutivos a aquellos obtenidos a partir de los combustibles fósiles. Este hecho supondría una reducción significativa del impacto medioambiental provocado a partir de la explotación y utilización de estos últimos. Entre todos los procesos existentes para el tratamiento de la biomasa, en los últimos años está destacando la pirólisis (tratamiento térmico), cuyo desarrollo está avanzando de forma considerable ya que se trata de un proceso capaz de producir biocombustibles líquidos en un solo paso y de una manera relativamente sencilla. La flexibilidad de este proceso ha permitido desarrollar no sólo plantas a gran escala, sino también unidades a pequeña escala capaces de procesar de forma efectiva pocas toneladas de biomasa por día y producir un bio-aceite con elevada densidad energética, si se compara con la biomasa de partida, permitiendo reducir los costes asociados tanto al manejo como al transporte de la biomasa hasta la biorrefinería. En este contexto, esta memoria aborda la problemática medioambiental originada por la necesaria reducción del uso de combustibles fósiles. Junto con el aprovechamiento de la biomasa lignocelulósica y, en concreto, residuos agrícolas, se busca dar una solución a la problemática de la disposición y valorización energética de ciertos residuos de alto impacto medioambiental como son los neumáticos fuera de uso y los envases plásticos. De esta forma, el desarrollo de una tecnología basada en la pirólisis de ambas materias para la producción de biocombustibles alternativos a los combustibles fósiles, no sólo contribuiría a reducir costes y a solucionar problemas en el tratamiento de los residuos plásticos, sino también a incrementar la seguridad en el suministro. Estos biocombustibles deberían poseer unas propiedades fisicoquímicas apropiadas para ser utilizados en las actuales infraestructuras y poder ser considerados un vector energético de carácter renovable. Desafortunadamente, el alcance de la tecnología actual es limitado y solo se pude llegar a producir un bio-aceite con un alto contenido de oxígeno, baja estabilidad, bajo poder calorífico y, sobre todo, no estandarizable y con una muy limitada aplicabilidad como combustible. De este modo, se hace necesario buscar procesos que permitan mejorar sus propiedades. En este sentido, a lo largo de esta memoria se han planteado varias estrategias de mejora orientadas a reducir el contenido de oxígeno de los bio-aceites y aumentar su poder calorífico y estabilidad, pudiendo diferenciarse entre estrategias in situ, las cuales estarán basadas en la copirólisis de residuos agrícolas con residuos poliméricos donde también se evaluará la incorporación de catalizadores de bajo coste y estrategias ex situ, donde se valorará el craqueo catalítico de los vapores de bio-aceite utilizando zeolitas bifuncionales con porosidad jerarquizada. En ambos casos, el objetivo será la producción de biocombustibles de alta calidad y que puedan utilizarse directamente en las actuales infraestructuras. Para el desarrollo de esta tesis se han utilizado diferentes instalaciones experimentales que comprenden desde reactores de lecho fijo a escala laboratorio para los procesos de pirólisis y craqueo catalítico, hasta una planta piloto de pirólisis con un reactor de tipo tornillo sin fin, que ha permitido obtener resultados representativos del proceso para su posible escalado a nivel industrial. Este trabajo de investigación ha mostrado que mediante el proceso de copirólisis catalítica, es posible producir bio-aceites de calidad mejorada, encontrándose efectos sinérgicos en el rendimiento a líquidos, el contenido en agua, el contenido de oxígeno y el poder calorífico de los bio-aceites, demostrándose que estos efectos son resultado de la interacción entre los radicales liberados por ambas materias primas durante el proceso de calentamiento. Significativamente, estos biocombustibles presentan una mezcla perfecta con gasolina hasta proporciones de un 10% en peso. Del mismo modo en los estudios de craqueo catalítico de vapores, se ha demostrado una mejora en los bio-aceites obtenidos tanto en términos de desoxigenación, como en el aumento en el contenido de aromáticos. También se ha demostrado que un adecuado balance y distribución de los diferentes puntos activos (acidez Brønsted y acidez Lewis) así como una estructura porosa adecuada, permite obtener catalizadores bifuncionales donde se producen reacciones en cascada que permiten obtener bio-aceites mejorados con un alto grado de desoxigenación y una alta concentración en compuestos aromáticos de un solo anillo. Los resultados obtenidos en esta Tesis Doctoral confirman el potencial de ambas estrategias de mejora para la obtención de un bio-aceite que pueda considerarse un vector energético de carácter renovable.Peer reviewe