Desarrollo de diseños de procesos para biorrefinerías: definiciones, categorías y operaciones unitarias

Desarrollo de diseños de procesos para biorrefinerías: definiciones, categorías y operaciones unitarias

En esta revisión, nos enfocamos en la literatura que describió las diversas operaciones unitarias en un diagrama de flujo de diseño de procesos de biorrefinerías. Comenzamos estableciendo las definiciones aceptadas de una biorrefinería, luego describimos cómo categorizar las biorrefinerías y finalmente revisamos la literatura sobre diseños de procesos de biorrefinerías enumerando la operación unitaria en cada diseño de proceso. Se discuten las biorrefinerías distintivas en función de la materia prima, los tipos de unidades de procesamiento y los productos que emanan de la biorrefinería.

Introducción

El diseño de procesos de las biorrefinerías se ha construido sobre la base de la síntesis, el análisis y el diseño de procesos basados en productos químicos tradicionales, un área que ha sido bien estudiada durante casi más de un siglo [ 1 ]. La síntesis de procesos basada en productos químicos ha evolucionado con el tiempo para identificar las rutas de procesamiento requeridas para producir los productos deseados, la identificación de las reacciones químicas involucradas, la selección y el diseño de las operaciones unitarias involucradas en la ruta de procesamiento, el cálculo de utilidades, desechos, emisiones, etc. [ 2 ]. Sin embargo, el procesamiento basado en biomasa tiene un largo camino por recorrer en este sentido. Aunque algunas rutas de procesamiento de biomasa, como maíz a etanol y residuos a biogás, han sido bien estudiadas y establecidas, la mayoría de las otras rutas de procesamiento de biomasa siguen siendo comercialmente no competitivas y abiertas a la investigación y el desarrollo continuos [ 3 , 4 , 5 , 6 , 7 ]. ].

La razón principal para desarrollar modelos de diseño de procesos de biorrefinerías es construir diagramas de flujo de procesos funcionales y conceptuales utilizando datos de experimentos de procesamiento de biomasa disponibles en la literatura. Una vez que se desarrollan los casos de referencia, la investigación futura y sus resultados anticipados pueden usarse para ampliar la vía, como modelo para diseñar biorrefinerías de demostración, etc. [ 8 ]. Incluso los desarrollos tecnológicos incrementales y las nuevas investigaciones en un proceso unitario específico pueden tener implicaciones positivas en las tecnologías complementarias del sistema. Además, los cambios menores en la operación de una unidad pueden influir en la economía del diseño general, con, por ejemplo, una probable reducción en los costos totales y/o mayores rendimientos de los productos. Por lo tanto, el diseño y la economía del proceso completo a menudo brindan los conocimientos necesarios para evaluar la viabilidad general de una biorrefinería.

Para encontrar productos óptimos a partir de la biomasa, el estudio de las herramientas de diseño de procesos debe combinarse con soluciones abiertas que involucren enfoques competitivos. Estos enfoques se clasifican en términos generales en tres métodos principales: en primer lugar, los que emplean heurística o se basan en el conocimiento; en segundo lugar, métodos que emplean técnicas matemáticas o de optimización; y, por último, métodos híbridos que combinan diferentes enfoques en un solo método [ 9 ]. El diseño de procesos puede proporcionar plataformas avanzadas de síntesis y optimización de procesos para construir sistemas de biorrefinería, que son económicamente viables, energéticamente eficientes y tienen una huella ambiental mínima. Esto implica la selección y el emparejamiento de varias operaciones unitarias para convertir un conjunto dado de entradas para generar un conjunto deseado de productos. Los objetivos de diseño pueden ser desarrollar un flujo de proceso con, por ejemplo, mayores rendimientos, costo mínimo (o alta rentabilidad), alta eficiencia energética (minimizando la utilización de recursos) y/o impacto ambiental mínimo. Los enfoques destacados para la optimización de procesos requieren el uso de heurística, el desarrollo de conocimientos físicos y la optimización de alternativas de superestructura [ 10 , 11 , 12 , 13 ].

En esta revisión, limitamos nuestro enfoque en el diseño de procesos y decidimos no cubrir la optimización de procesos. El procesamiento y la utilización de biomasa se ha estudiado en detalle desde la perspectiva de la optimización de procesos [ 2 , 14 , 15 , 16 ]. Sin embargo, todavía falta una revisión de la literatura donde se enumeren varias operaciones unitarias para tipos similares de rutas de procesamiento de biomasa junto con los productos. La gran mayoría de los modelos de proceso existentes se conciben debido a la disponibilidad de una materia prima y la riqueza de conocimientos en el procesamiento de la materia prima [ 12 , 17 , 18 ]. Rara vez se han modelado biorrefinerías donde el producto es la prioridad y la materia prima se ha seleccionado en función de los productos específicos. Sin embargo, con una necesidad cada vez mayor de encontrar vías alternativas para la producción de combustibles líquidos sostenibles, productos químicos, fertilizantes y energía a partir de biomasa, el análisis de biorrefinería a menudo se basa en la metodología de diseño de procesos para encontrar soluciones novedosas [ 19 , 20 ]. En esta metodología,

una vez que se han reducido las rutas de materia prima y procesamiento, el siguiente paso es la elección adecuada de un software de diseño de procesos.

Los modelos de diseño de procesos a menudo se desarrollan en un software de simulación de procesos dedicado, que permite balances de masa, energía y emisiones que se pueden extrapolar para tomar decisiones económicas. Estas herramientas/software de diseño de procesos son bastante potentes en sus cálculos. Su precisión depende del nivel de detalle proporcionado por el usuario y la familiaridad del usuario con el software en sí. Los modelos de procesos de biorrefinería se han desarrollado en Aspen Plus, SuperPro Designer, Matlab y Microsoft Excel [ 21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26 , 27 ]. La Tabla 1 a continuación resume las condiciones bajo las cuales los diferentes simuladores comerciales son los más adecuados para su uso.

En esta revisión, nos enfocamos en la literatura que tiene diagramas de flujo de diseño de procesos detallados de biorrefinerías, independientemente del software utilizado. Sin embargo, primero comenzamos estableciendo las definiciones aceptadas de biorrefinería, luego describimos cómo categorizar las biorrefinerías y finalmente revisamos la literatura sobre diseños de procesos de biorrefinería al enumerar el tipo de biorrefinería. Finalmente, discutimos la categorización de las biorrefinerías según la materia prima, el tipo de unidades de procesamiento en los diagramas de flujo diseñados y los productos a base de biomasa que emanan de la biorrefinería.

Contexto de una Biorrefinería

Existen varias definiciones de biorrefinerías, sin embargo, una de las explicaciones más complacientes de biorrefinación fue dada por la Agencia Internacional de Energía como "el procesamiento sostenible de biomasa en un espectro de productos comercializables y energía" [ 28 ]. El concepto de biorrefinería abarca una amplia gama de tecnologías de procesamiento y separación capaces de modificar los recursos de biomasa (madera, maíz, remolacha, caña de azúcar, pasto varilla, etc.) en fracciones (carbohidratos C5 o C6, lípidos, proteínas, triglicéridos, etc.) que pueden convertirse además en productos de valor agregado, biocombustibles, biomateriales, fertilizantes y productos químicos. El concepto de biorrefinería es análogo a las refinerías de petróleo contemporáneas, que producen una amplia variedad de combustibles y productos a partir del petróleo crudo; sin embargo, en las biorrefinerías, la biomasa reemplaza al petróleo crudo como materia prima. Se podría argumentar que el petróleo crudo, de hecho, se deriva de la biomasa, por varios cientos de años de descomposición lenta; sin embargo, en este contexto, el petróleo crudo no se considera biomasa.

La bioenergía contribuirá de manera importante a satisfacer las demandas futuras de energía a partir de fuentes de energía limpias y sostenibles. Esto significa que se necesita una innovación constante en las tecnologías de procesamiento de biomasa para desarrollar una sociedad de base biológica sostenible que sea capaz de mirar más allá de la bioenergía y los biocombustibles, y aprovechar la oportunidad de producir una miríada de productos derivados de las biorrefinerías [ 29 ]. La producción confiable y eficiente de biocombustibles también puede brindar estabilidad a los volátiles precios mundiales del petróleo [ 29 ]. De hecho, con el crecimiento constante en el sector del transporte, la demanda de combustibles renovables solo aumentará. Si bien los biocombustibles brindan una alternativa más limpia a las opciones de combustible existentes, los vehículos eléctricos tienen una fuerte penetración en el mercado y compiten con la industria de producción de biocombustibles y combustibles fósiles [ 30 ]. En consecuencia, el desafío para el desarrollo actual y futuro de las biorrefinerías será la producción eficiente y rentable de biocombustibles, al mismo tiempo que se garantiza la búsqueda de productos alternativos. La coproducción de biomateriales y productos bioquímicos proporcionará una nueva dimensión al modelo de negocio de la biorrefinería, al reducir la dependencia de los biocombustibles líquidos para obtener ingresos [ 31 ]. Actualmente, los principales productos básicos basados en biomasa fabricados mediante la conversión de biomasa incluyen almidón, aceite, celulosa, biogás y biocombustibles [ 19 , 20 ]. Además, bioquímicos como ácido láctico, glicerina, ácido succínico, aminoácidos, ácido levulínico, sorbitol y xilitol, junto con productos de base biológica disponibles comercialmente como lubricantes, solventes, polímeros, papel, pintura, plásticos, adhesivos , tintes, detergentes, compuestos de limpieza, tintas y adhesivos, también son subproductos de una biorrefinería [ 19 , 20 , 32 ]. Se estima que la necesidad de encontrar fuentes alternativas para obtener estos productos seguirá proporcionando un segmento de mercado que esté dispuesto a adaptarse a nuevas materias primas en la cadena de suministro si se pueden demostrar los beneficios económicos [ 33 , 34 ]. La mayoría de los biocombustibles y bioquímicos existentes que se producen actualmente en producciones de vía única no están dentro de los límites de una configuración de biorrefinería (ya que no utilizan más de una materia prima y no producen múltiples productos). Sin embargo, esto no significa que la importancia de la materia prima única a gran escala para las biorrefinerías de un solo producto pueda verse socavada al estudiar el estilo colaborativo de diseño de procesos para una biorrefinería. Las configuraciones industriales de combinación de biorrefinerías sinérgicas, como la de Kalundburg , Dinamarca, brindan una experiencia valiosa en este contexto. En Kalundburg , varias bioindustrias pueden combinar sus flujos de materiales para alcanzar una utilización de circuito cerrado de todas las corrientes en un sistema: el calor residual y de desecho de una bioindustria es utilizado por otra, lo que finalmente da lugar a una bioindustria integrada. -sistema industrial [ 35 ]. Este es un ejemplo en el que diferentes empresas han trabajado juntas para maximizar la utilización de los flujos de subproductos, reduciendo así los flujos no utilizados y convirtiéndolos en productos rentables. La interdependencia de los sistemas es una encarnación del concepto de biorrefinería, donde la integración de procesos y equipos de conversión puede dar lugar a un sistema circular para producir biocombustibles, productos bioquímicos y una amplia gama de otros bioproductos a partir de varios tipos de biomasa , mientras aún siendo capaz de producir bioenergía como una 'corriente secundaria'.

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