Nuevo método de licuefacción de biomasa lignocelulósica e instalación para realizarlo.

Nuevo método de licuefacción de biomasa lignocelulósica e instalación para realizarlo.

La presente invención se refiere a un método de licuefacción de biomasa lignocelulósica que comprende: (a) mezclar biomasa triturada en una solución que comprende una mezcla de agua y un disolvente orgánico que comprende 1,4 dioxano como primer solvente orgánico y al menos un segundo solvente orgánico y ácido sulfúrico como catalizador ácido; (b) calentar la mezcla hasta una temperatura de entre 140°C y 180°C y aumentar su presión hasta una presión de entre 6 bar y 15 bar; (c) someter la mezcla anterior a un efecto de cavitación por ultrasonidos; y (d) enfriar el producto de la licuefacción y separar el primer solvente orgánico del agua y de una corriente líquida que comprende biomasa despolimerizada y que es recirculada a la etapa (a) de mezcla como segundo solvente orgánico. Es asimismo objeto de la invención la instalación para llevar a cabo dicho método de licuefacción.

Nuevo método de licuefacción de biomasa lignocelulósica e instalación para realizarlo.

Sector de la técnica La presente invención se enmarca en el campo de la Ingeniería Química y se refiere a un nuevo método de licuefacción de biomasa lignocelulósica mediante un proceso de despolimerización de sus componentes esenciales, celulosa, hemicelulosa y lignina, para su transformación posterior en productos líquidos, que se pueden considerar biocombustibles. Concretamente, es una evolución de la solicitud de patente P201230430, presentada el día 22 de marzo de 2012 por el mismo autor, y al igual que aquella, se trata de un método y una instalación destinados a la licuefacción de biomasa lignocelulósica.

Antecedentes de la invención En general, hay en estos momentos un creciente interés en la biomasa como fuente de energía, ya que su uso o el de sus derivados puede considerarse neutro en términos de emisiones netas de CO2, al emplearse en cantidades iguales a la producción del ecosistema que se explota. Los efectos adversos de la continuada emisión de gases de efecto invernadero, debidos al consumo de combustibles fósiles, han promovido un interés creciente por la búsqueda de biocombustibles alternativos. El aprovechamiento de residuos agrícolas, forestales o de la biomasa lignocelulósica en general puede contribuir a resolver este problema.

Se entiende por biomasa, en general, la materia orgánica originada en un proceso biológico, espontáneo o provocado, utilizable como fuente de energía y que tiene su origen en el proceso biológico de fotosíntesis. Gracias a ella se forman moléculas de tres polímeros diferentes, entrelazados entre sí, con un alto contenido energético en forma de energía química.

La madera de las plantas leñosas es una mezcla de tres polímeros naturales, celulosa, hemicelulosa y lignina, con una relación aproximada de 50:25:25, según la especie. La celulosa y la hemicelulosa son polímeros de hidratos de carbono formados a partir de moléculas de monosacáridos, y la lignina es un polímero de unidades fenilpropánicas.

El aprovechamiento energético de esta biomasa de origen vegetal suele requerir una transformación y un tratamiento químico de la misma, mediante reacciones que convierten parte de la energía química de la biomasa en energía térmica. En la solicitud de patente P201230430, del 22 de marzo de 2.012, se describen con algún detalle las diferentes posibilidades que existen en la técnica actual para transformar la biomasa lignocelulósica en líquida, entre las que se pueden destacar la gasificación, la pirólisis o la transformación de los azúcares presentes en la celulosa y la hemicelulosa en bioetanol.

En la solicitud de patente P201230430 se presenta un método de licuefacción directa de la biomasa lignocelulósica, introduciéndola en un medio líquido y ayudada por al menos un catalizador. En el método presentado anteriormente se somete la mezcla a una temperatura comprendida entre 260ºC y 400ºC y a una presión entre 30 bar y 80 bar, hasta producirse una fracción líquida.

En la patente americana US8263792 B2 se describe un proceso de hidrólisis ácida de carbohidratos, o polímeros de los mismos, usando un sistema de disolución dentro de un éter acuoso, como son tetrahidrofurano, dioxano, éteres acíclicos y mezclas de ellos, y al mismo tiempo empleando como co-solvente un ácido carboxílico, elegido entre el fórmico, el acético y el propanoico. En cambio se trata de una patente que visa el tratamiento de polímeros de carbohidratos, fundamentalmente celulosa, hemicelulosa y almidón y no el tratamiento de la biomasa lignocelulósica como tal. Simultáneamente, el uso de los ácidos carboxílicos descritos, por su debilidad, obliga a emplear una gran cantidad de los mismos, lo que redunda en un problema al neutralizar la acidez del producto obtenido o bien en el proceso de separación de estos ácidos del líquido resultado de la reacción.

Descripción general de la invención El objeto principal de la presente invención es un método mejorado y muy evolucionado respecto al presentado en la solicitud de patente P201230430 para la transformación de biomasa lignocelulósica sólida en líquida (licuefacción) , caracterizado por que comprende las siguientes etapas:

(a) mezclar la biomasa lignocelulósica, preferentemente proveniente de madera, residuos de madera o residuos agrícolas y triturada con un tamaño igual o inferior a 2 mm, en una solución que comprende al menos los siguientes componentes:

una mezcla de agua y un disolvente orgánico que comprende 1, 4 dioxano (CAS Nº 123-91-1) como primer solvente orgánico y al menos un segundo solvente orgánico, preferentemente fenol (CAS Nº 108-95-2) . En una realización particular de la invención, el proceso puede comenzar empleando fenol como segundo solvente orgánico, si bien éste puede ser sustituido posteriormente por lignina despolimerizada obtenida como producto del proceso de licuefacción; y un catalizador ácido, preferentemente ácido sulfúrico H2SO4 (CAS Nº 7664-93-9) , en una cantidad preferente comprendida entre el 5 y el 10% en peso respecto a la cantidad de biomasa introducida,

donde la concentración inicial de biomasa triturada en la solución es como mínimo del 15% y como máximo del 30% en peso y donde la mezcla de agua y disolvente se lleva a cabo en una proporción en volumen comprendida entre 20% agua – 80% disolvente y 30% agua – 70% disolvente. Cantidades menores o mayores de agua conllevan a que la licuefacción se realice parcialmente. Preferentemente la mezcla ideal es 25% agua – 75% disolvente en volumen;

(b) calentar la mezcla a una temperatura comprendida entre 140ºC y 180ºC y aumentar su presión hasta alcanzar una presión seleccionada entre 6 bar y 15 bar,

(c) someter a la mezcla anterior a un efecto de cavitación producido por ultrasonidos con una frecuencia comprendida entre los 20 y los 30kHz, hasta producirse una completa licuefacción o solubilización de la biomasa;

(d) finalmente, el producto de la etapa de licuefacción puede ser sometido al menos a una etapa de enfriamiento. En una realización particular de la invención, el producto líquido obtenido durante la reacción de licuefacción se puede separar y recuperar el primer solvente orgánico (dioxano) por destilación, con la finalidad de reutilizarlo nuevamente. En cambio, el segundo solvente orgánico, el fenol o preferentemente la lignina despolimerizada, se mantendrán en la biomasa líquida que queda después de destilar el dioxano, pudiendo reutilizarse en la etapa (a) de mezcla del proceso.

Es asimismo objeto de la invención una instalación para llevar a cabo el proceso descrito. Dicha instalación para llevar

a cabo la transformación de biomasa lignocelulósica sólida en líquida se caracteriza por que comprende: al menos un recipiente de mezcla, preferentemente una tolva, para realizar la mezcla de la biomasa sólida con los componentes de reacción; al menos una bomba de alimentación de la mezcla obtenida en el recipiente de mezcla, localizada a la salida de dicho recipiente de mezcla; medios de pre-calentamiento constituidos preferentemente por al menos un primer intercambiador de calor localizado tras el recipiente de mezcla; medios de calentamiento constituidos preferentemente por al menos un mezclador de vapor; al menos un reactor de cavitación donde se encuentran instalados preferentemente en su tapa superior unos medios de producción de ultrasonidos, estando dicho reactor dimensionado para garantizar un tiempo de estancia suficiente de la mezcla de reacción, medios de pre-enfriamiento constituidos preferentemente por al menos un segundo intercambiador de calor para enfriar el producto líquido de la licuefacción, medios de enfriamiento final del producto líquido hasta una temperatura igual o inferior a 50ºC, al menos un tanque de recepción del producto líquido que comprende medios de salida de la fracción líquida, preferentemente mediante al menos una válvula de contrapresión encargada de mantener y controlar la presión del proceso dentro de los intercambiadores y del reactor y medios de extracción del agua depositada en la parte inferior del tanque al exterior.

Opcionalmente, la instalación puede comprender medios de precalentamiento del agua y del solvente o solventes orgánicos antes de su entrada en el recipiente de mezcla.

Gracias al diseño de esta planta de transformación de biomasa lignocelulósica se puede trabajar en modo continuo, sin necesidad de trabajar en modo batch, con cargas y descargas alternadas.

Breve descripción de las figuras La Figura 1 muestra un diagrama del proceso de transformación de biomasa lignocelulósica...

1. Método de licuefacción de biomasa lignocelulósica caracterizado por que comprende las siguientes etapas:

(a) mezclar biomasa triturada en una solución que comprende los siguientes componentes: una mezcla de agua y un disolvente orgánico que comprende 1, 4 dioxano como primer solvente orgánico y al menos un segundo solvente orgánico; y ácido sulfúrico como catalizador ácido,

donde la concentración inicial de biomasa triturada en la solución es como mínimo del 15% y como máximo del 30% en peso y donde la mezcla de agua y disolvente se lleva a cabo en una proporción en volumen comprendida entre 20% agua – 80% disolvente y 30% agua – 70% disolvente;

(b) calentar la mezcla obtenida en la etapa anterior hasta una temperatura comprendida entre 140ºC y 180ºC y aumentar su presión hasta alcanzar una presión entre 6 bar y 15 bar,

(c) someter a la mezcla anterior a un efecto de cavitación producido por ultrasonidos con una frecuencia comprendida entre los 20 kHz y los 30 kHz, hasta producirse la completa licuefacción o solubilización de la biomasa;

(d) enfriar el producto de la licuefacción y separar el primer solvente orgánico del agua y de una corriente líquida que comprende biomasa despolimerizada y que es recirculada a la etapa (a) de mezcla como segundo solvente orgánico.

2. Método de acuerdo a la reivindicación 1, donde la biomasa proviene de madera, residuos de madera o residuos agrícolas y es previamente triturada hasta un tamaño igual o inferior a 2 mm.

3. Método de acuerdo a la reivindicación 1 o 2, donde el segundo solvente orgánico es fenol y en etapas posteriores es biomasa despolimerizada procedente de la propia licuefacción, y donde dicho segundo solvente orgánico es empleado en una proporción del 5% en peso frente a un 95% de 1, 4 dioxano.

4. Método de acuerdo a una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, donde el ácido sulfúrico es empleado en una cantidad comprendida entre el 5 y el 10% en peso respecto a la cantidad de biomasa introducida.

5. Método de acuerdo a una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, donde la mezcla de agua y disolvente se lleva a cabo en una proporción en volumen de 25% agua y 75% disolvente.

6. Método de acuerdo a una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, donde el calentamiento de la mezcla se lleva a cabo mediante inyección directa de vapor de agua.

7. Método de acuerdo a una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, donde la cavitación se lleva a cabo durante un tiempo comprendido entre 10 minutos y 2 horas.

8. Instalación para llevar a cabo el método de acuerdo a una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado por que comprende:

(a) al menos un recipiente de mezcla;

(b) al menos una bomba de alimentación de la mezcla localizada a la salida del recipiente de mezcla;

(c) medios de pre-calentamiento constituidos por al menos un primer intercambiador de calor localizado tras el recipiente de mezcla;

(d) medios de calentamiento constituidos por al menos un mezclador de vapor localizado tras los medios de precalentamiento;

(e) al menos un reactor de cavitación que comprende a su vez medios de producción de ultrasonidos;

(f) medios de pre-enfriamiento constituidos por al menos un segundo intercambiador de calor, localizados tras el reactor de cavitación;

(g) medios de enfriamiento constituidos por al menos un tercer intercambiador de calor localizado tras los medios de pre-enfriamiento;

(h) al menos un tanque de recepción del producto líquido.

9. Instalación de acuerdo a la reivindicación 8, caracterizada por que comprende adicionalmente medios de precalentamiento de las corrientes de entrada al recipiente de mezcla.