Biorrefinaria - Biorefinery
Uma biorrefinaria é uma refinaria que converte biomassa em energia e outros subprodutos benéficos (como produtos químicos). A International Energy Agency Bioenergy Task 42 definiu o biorrefino como "o processamento sustentável de biomassa em um espectro de produtos de base biológica (alimentos, rações, produtos químicos, materiais) e bioenergia (biocombustíveis, energia e / ou calor)". Como refinarias, as biorrefinarias podem fornecer vários produtos químicos ao fracionar uma matéria-prima inicial (biomassa) em vários intermediários (carboidratos, proteínas, triglicerídeos) que podem ser posteriormente convertidos em produtos de valor agregado. Cada fase de refino também é chamada de "fase em cascata". O uso da biomassa como matéria-prima pode trazer benefícios ao reduzir os impactos ao meio ambiente, como diminuição da emissão de poluentes e redução da emissão de produtos perigosos. Além disso, as biorrefinarias têm como objetivo atingir os seguintes objetivos:
- Fornece os combustíveis atuais e blocos de construção químicos
- Fornecer novos blocos de construção para a produção de novos materiais com características disruptivas
- Criação de novos empregos, inclusive no meio rural
- Valorização de resíduos (resíduos agrícolas, urbanos e industriais)
- Alcançar o objetivo final de reduzir as emissões de GEE
Classificação de sistemas de biorrefinaria
As biorrefinarias podem ser classificadas com base em quatro características principais:
- Plataformas: Refere-se aos principais intermediários entre a matéria-prima e os produtos finais. Os intermediários mais importantes são:
- Biogás de digestão anaeróbica
- Syngas de gaseificação
- Hidrogênio da reação de deslocamento água-gás, reforma de vapor, eletrólise da água e fermentação
- Açúcares C6 da hidrólise de sacarose, amido, celulose e hemicelulose
- Açúcares C5 (por exemplo, xilose, arabinose: C5H10O5), a partir da hidrólise da hemicelulose e alimentos e rações laterais
- Lignina do processamento de biomassa lignocelulósica.
- Líquido da pirólise ( óleo de pirólise )
- Produtos: As biorrefinarias podem ser agrupadas em duas categorias principais de acordo com a conversão da biomassa em produto energético ou não energético. Nesta classificação, o mercado principal deve ser identificado:
- Sistemas de biorrefinaria movidos a energia: O produto principal é um segundo portador de energia como biocombustíveis, energia e calor.
- Sistemas de biorrefinaria movidos a materiais: O produto principal é um produto de base biológica
- Matéria-prima: Matéria-prima dedicada (safras de açúcar, safras de amido, safras lignocelulósicas, safras à base de óleo, gramíneas, biomassa marinha); e resíduos (resíduos à base de óleo, resíduos lignocelulósicos, resíduos orgânicos e outros)
- Processos: Processo de conversão para transformar biomassa em um produto final:
- Mecânico / físico: A estrutura química dos componentes da biomassa é preservada. Esta operação inclui prensagem, moagem, separação, destilação, entre outras
- Bioquímicos: Processos sob baixa temperatura e pressão, utilizando microorganismos ou enzimas.
- Processos químicos: O substrato sofre alteração pela ação de um químico externo (por exemplo, hidrólise, transesterificação, hidrogenação, oxidação, polpação)
- Termoquímico: Condições severas são aplicadas à matéria-prima (alta pressão e alta temperatura, com ou sem catalisador).
As características acima mencionadas são usadas para classificar sistemas de biorrefinarias de acordo com o seguinte método:
- Identifique a matéria-prima, as principais tecnologias incluídas no processo, plataforma e produtos finais
- Desenhe o esquema da refinaria usando os recursos identificados na etapa 1.
- Rotule o sistema de refinaria de acordo com o número de plataformas, produtos, matéria-prima e processos envolvidos
- Elabore uma tabela com as características identificadas e a fonte de demanda interna de energia
Alguns exemplos de classificações são:
- Biorrefinaria de plataforma de açúcar C6 para bioetanol e ração animal de colheitas de amido.
- Biorrefinaria de plataforma Syngas para FT-diesel e fenóis de palha
- Biorrefinaria de plataforma de açúcar e gás de síntese C6 e C5 para bioetanol, FT-diesel e furfural de resíduos de serraria.
Viabilidade econômica de sistemas de biorrefinaria
Avaliação técnico-econômica (TEA) é uma metodologia para avaliar se uma tecnologia ou processo é economicamente atraente. A pesquisa da TEA foi desenvolvida para fornecer informações sobre o desempenho do conceito de biorrefinaria em diversos sistemas de produção como usinas de cana-de-açúcar, produção de biodiesel, fábricas de celulose e papel e tratamento de resíduos sólidos industriais e municipais.
Usinas de bioetanol e usinas de cana-de-açúcar são processos bem estabelecidos onde o conceito de biorrefinaria pode ser implementado, uma vez que o bagaço da cana é uma matéria-prima viável para a produção de combustíveis e produtos químicos; O bioetanol lignocelulósico (2G) é produzido no Brasil em duas fábricas com capacidades de 40 e 84 Ml / ano (cerca de 0,4% da capacidade de produção no Brasil). A TEA da produção de etanol usando liquefação moderada do bagaço mais sacarificação e co-fermentação simultâneas apresenta um preço mínimo de venda entre 50,38 e 62,72 centavos de dólar dos EUA / L, que é comparável ao preço de mercado. Foi avaliada a produção de xilitol, ácido cítrico e ácido glutâmico a partir da lignocelulose da cana-de-açúcar (bagaço e resíduos da colheita), cada um em combinação com eletricidade; os três sistemas de biorrefinaria foram simulados para serem anexados a uma usina de açúcar existente na África do Sul. A produção de xilitol e ácido glutâmico apresentou viabilidade econômica com Taxa Interna de Retorno (TIR) de 12,3% e 31,5%, superando a TIR do caso base (10,3%). Da mesma forma, tem sido estudada a produção de etanol, ácido lático ou metanol e etanol-ácido lático a partir do bagaço da cana-de-açúcar; o ácido láctico demonstrou ser economicamente atraente por apresentar o maior valor presente líquido (M $ 476–1278); do mesmo jeito; a produção de etanol e ácido lático como coproduto mostrou-se um cenário favorável (valor presente líquido entre M $ 165 e M $ 718), visto que este ácido tem aplicações na indústria farmacêutica, cosmética, química e alimentícia.
Quanto à produção de biodiesel, essa indústria também tem potencial para integrar sistemas de biorrefinaria para converter biomassas e resíduos residuais em biocombustível, calor, eletricidade e produtos ecológicos de base biológica. O glicerol é o principal coproduto na produção de biodiesel e pode ser transformado em produtos valiosos por meio de tecnologias quimocatalíticas; avaliou-se a valorização do glicerol para a produção de ácido lático, ácido acrílico, álcool alílico, propanodióis e carbonato de glicerol; todas as rotas de valorização do glicerol mostraram-se rentáveis, sendo a mais atrativa a fabricação de carbonato de glicerol. Os cachos de frutos vazios de palma (EFB) são um resíduo lignocelulósico abundante da indústria de óleo de palma / biodiesel, a conversão desse resíduo em etanol, calor e energia, e ração para gado foi avaliada segundo princípios técnico-econômicos, os cenários em estudo mostraram-se reduzidos benefícios econômicos, embora sua implementação tenha representado redução do impacto ambiental (mudanças climáticas e esgotamento dos combustíveis fósseis) em relação à produção tradicional de biodiesel. A viabilidade econômica para a produção de bio-óleo a partir de EFB via pirólise rápida usando o leito fluidizado foi estudada, bio-óleo bruto pode ser potencialmente produzido a partir de EFB a um valor de produto de 0,47 $ / kg com um período de retorno e retorno sobre o investimentode 3,2 anos e 21,9%, respectivamente. A integração de microalgas e pinhão-manso como via viável para a produção de biocombustíveis e bioquímicos vem sendo analisada no contexto dos Emirados Árabes Unidos (Emirados Árabes Unidos). Três cenários foram examinados; em todas elas é produzido biodiesel e glicerol; no primeiro cenário, o biogás e o fertilizante orgânico são produzidos pela fermentação anaeróbica da torta e da torta de Jatropha; o segundo cenário inclui a produção de lipídios de pinhão-manso e microalgas para a produção de biodiesel e a produção de ração animal, biogás e fertilizante orgânico; o terceiro cenário envolve a produção de lipídios a partir de microalgas para a produção de biodiesel, bem como hidrogênio e ração animal como produto final; apenas o primeiro cenário foi lucrativo.
No que diz respeito à indústria de celulose e papel; A lignina é um polímero natural cogerado e geralmente é usado como combustível de caldeira para gerar calor ou vapor para cobrir a demanda de energia no processo. Uma vez que a lignina é responsável por 10-30% em peso da biomassa lignocelulósica disponível e é equivalente a ~ 40% de seu conteúdo de energia; a economia das biorrefinarias depende de processos econômicos para transformar a lignina em combustíveis e produtos químicos com valor agregado. A conversão de uma fábrica sueca de celulose kraft existente para a produção de celulose solúvel, eletricidade, lignina e hemicelulose foi estudada; a auto-suficiência em vapor e a produção de vapor excedente foi um fator chave para a integração de uma planta de separação de lignina; nesse caso; o digestor deve ser atualizado para preservar o mesmo nível de produção e representa 70% do custo total de investimento de conversão. O potencial de uso do processo kraft para a produção de bioetanol de fibra longa em uma usina kraft reaproveitada ou co-localizada foi estudado, uma recuperação de açúcar superior a 60% permite que o processo seja competitivo para a produção de etanol de fibra longa. O reaproveitamento de uma fábrica de celulose kraft para produzir etanol e éter dimetílico foi investigado; no processo, a celulose é separada por um pré-tratamento alcalino e então é hidrolisada e fermentada para produzir etanol, enquanto o licor resultante contendo lignina dissolvida é gaseificado e refinado em éter dimetílico; o processo demonstrou ser autossuficiente em termos de demanda de utilidade quente (vapor fresco), mas com déficit de eletricidade; o processo pode ser viável, economicamente falando, mas é altamente dependente da evolução dos preços dos biocombustíveis. A avaliação exergética e econômica da produção de catecol a partir da lignina foi realizada para determinar sua viabilidade; os resultados mostraram que o investimento total de capital foi de 4,9 M $ com base na capacidade da planta de 2.544 kg / d de matéria-prima; além disso, o preço do catecol foi estimado em 1.100 $ / t e a relação de valorização encontrada em 3,02.
A alta geração de biomassa residual é uma fonte atraente para a conversão em produtos valiosos ; várias rotas de biorrefinaria foram propostas para atualizar os fluxos de resíduos em produtos valiosos. A produção de biogás a partir de casca de banana (Musa paradisiaca) sob o conceito de biorrefinaria é uma alternativa promissora, pois é possível obter biogás e outros coprodutos como etanol, xilitol, gás de síntese e eletricidade; esse processo também oferece alta lucratividade para escalas de produção elevadas. A avaliação econômica da integração da digestão anaeróbia de resíduos orgânicos com outras tecnologias de fermentação anaeróbia de cultura mista foi estudada; o maior lucro é obtido pela fermentação escura de resíduos alimentares com separação e purificação dos ácidos acético e butírico (47 USD / t de resíduos alimentares). A viabilidade técnica, lucratividade e extensão do risco de investimento para produzir xaropes de açúcar a partir de resíduos de alimentos e bebidas foram analisadas; o retorno do investimento mostrou-se satisfatório para a produção de xarope de frutose (9,4%), HFS42 (22,8%) e xarope rico em glicose (58,9%); os xaropes de açúcar também têm alta competitividade de custo, com custos de produção líquidos relativamente baixos e preços mínimos de venda. A valorização dos resíduos sólidos urbanos através de sistemas integrados de tratamento mecânico biológico-químico (MBCT) para a produção de ácido levulínico tem sido estudada, a receita de recuperação de recursos e geração de produto (sem a inclusão de taxas de portão) é mais do que suficiente para pesar as taxas de coleta de resíduos, capital anual e custos operacionais.
Impacto ambiental dos sistemas de biorrefinaria
Um dos principais objetivos das biorrefinarias é contribuir para uma indústria mais sustentável por meio da conservação de recursos e da redução das emissões de gases de efeito estufa e outros poluentes. Mesmo assim; outros impactos ambientais podem estar associados à produção de produtos de base biológica; como mudanças no uso da terra, eutrofização da água, poluição do meio ambiente com pesticidas ou maior demanda de energia e material que levam a encargos ambientais. A avaliação do ciclo de vida (ACV) é uma metodologia para avaliar a carga ambiental de um processo, desde a extração da matéria-prima até o uso final. O LCA pode ser usado para investigar os benefícios potenciais dos sistemas de biorrefinaria; vários estudos de LCA foram desenvolvidos para analisar se as biorrefinarias são mais ecológicas do que as alternativas convencionais.
A matéria-prima é uma das principais fontes de impactos ambientais na produção de biocombustíveis, a fonte desses impactos está relacionada à operação de campo para cultivo, manuseio e transporte da biomassa até a porta da biorrefinaria. Os resíduos agrícolas são a matéria-prima com menor impacto ambiental, seguidos das lavouras lignocelulósicas; e, finalmente, por culturas arvenses de primeira geração, embora os impactos ambientais sejam sensíveis a fatores como práticas de manejo de culturas, sistemas de colheita e produtividade das culturas. A produção de produtos químicos a partir de biomassa tem mostrado benefícios ambientais; produtos químicos a granel de matérias-primas derivadas de biomassa foram estudados mostrando economia no uso de energia não renovável e emissões de gases de efeito estufa.
A avaliação ambiental para o etanol 1G e 2G mostra que esses dois sistemas de biorrefinaria são capazes de mitigar os impactos das mudanças climáticas em comparação com a gasolina, mas maiores benefícios das mudanças climáticas são alcançados com a produção de etanol 2G (redução de até 80%). A conversão de cachos de frutas vazias de palmeira em produtos valiosos (etanol, calor e energia e ração para gado) reduz o impacto para as mudanças climáticas e esgotamento de combustível fóssil em comparação com a produção tradicional de biodiesel; mas os benefícios para toxicidade e eutrofização são limitados. O ácido propiônico produzido pela fermentação do glicerol leva a uma redução significativa das emissões de GEE em comparação com alternativas de combustíveis fósseis; no entanto, a entrada de energia é o dobro e a contribuição para a eutrofização é significativamente maior. O LCA para a integração do butanol do pré-hidrolisado em uma fábrica de celulose dissolver Kraft canadense mostra que a pegada de carbono deste butanol pode ser 5% menor em comparação com a gasolina; mas não é tão baixo quanto o butanol do milho (23% menor que o da gasolina).
A maioria dos estudos de ACV para a valorização de resíduos alimentares tem se concentrado nos impactos ambientais no biogás ou na produção de energia, com poucos na síntese de produtos químicos de alto valor agregado; o hidroximetilfurfural (HMF) foi listado como um dos 10 principais produtos químicos de base biológica pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos; o LCA de oito rotas de valorização de resíduos alimentares para a produção de HMF mostra que a opção mais ambientalmente favorável usa catalisador menos poluente (AlCl3) e co-solvente (acetona), e fornece o maior rendimento de HMF (27,9 cmol%), esgotamento de metal e impactos de toxicidade (ecotoxicidade marinha, toxicidade de água doce e toxicidade humana) foram as categorias com os valores mais altos.
Biorrefinaria na indústria de celulose e papel
A indústria de celulose e papel é considerada o primeiro sistema de biorrefinaria industrializado; nesse processo industrial, outros coprodutos são produzidos, incluindo tall oil, breu, vanilina e lignossulfonatos. Além desses coprodutos; o sistema inclui geração de energia (em por de vapor e eletricidade) para cobrir sua demanda interna de energia; e tem potencial para fornecer calor e eletricidade à rede.
Essa indústria se consolidou como a maior consumidora de biomassa; além de utilizar a madeira como matéria-prima, é capaz de processar resíduos agrícolas como bagaço, palha de arroz e palha de milho. Outra característica importante dessa indústria é uma logística bem estabelecida para produção de biomassa, evita a competição com a produção de alimentos por terras férteis e apresenta maior rendimento de biomassa.
Exemplos
A empresa Blue Marble Energy em plena operação possui várias biorrefinarias localizadas em Odessa, WA e Missoula, MT.
A primeira biorrefinaria integrada do Canadá, desenvolvida com tecnologia de digestão anaeróbia pela Himark BioGas, está localizada em Alberta. A biorrefinaria utiliza Source Separated Organics da região metropolitana de Edmonton , esterco de confinamento em curral aberto e resíduos de processamento de alimentos.
A tecnologia da Chemrec para gaseificação de licor negro e produção de biocombustíveis de segunda geração , como biometanol ou Bio DME, está integrada a uma fábrica de celulose hospedeira e utiliza um importante produto residual do processo de sulfato ou sulfito como matéria-prima.
A Novamont converteu antigas fábricas petroquímicas em biorrefinarias, produzindo proteínas, plásticos, ração animal, lubrificantes, herbicidas e elastômeros de cardo .
A C16 Biosciences produz óleo de palma sintético a partir de resíduos contendo carbono (ou seja , resíduos de alimentos , glicerol ) por meio de levedura .
A MacroCascade visa refinar as algas marinhas em alimentos e forragens e , em seguida, em produtos para as indústrias de saúde, cosméticos e química fina. Os córregos laterais serão usados para a produção de fertilizante e biogás. Outros projetos de biorrefinaria de algas marinhas incluem MacroAlgaeBiorefinery (MAB4), SeaRefinery e SEAFARM.
FUMI Ingredients produz agentes espumantes, géis termofixados e emulsificantes a partir de microalgas com a ajuda de microorganismos como a levedura de cerveja e a levedura de padeiro .
A plataforma BIOCON está pesquisando o processamento de madeira em vários produtos. Mais precisamente, seus pesquisadores procuram transformar a lignina e a celulose em vários produtos. A lignina, por exemplo, pode ser transformada em componentes fenólicos que podem ser usados para fazer cola, plásticos e produtos agrícolas (proteção de culturas, ...). A celulose pode ser transformada em roupas e embalagens.
Na África do Sul, a Numbitrax LLC comprou um sistema de biorrefinaria Blume para a produção de bioetanol, bem como produtos adicionais de alto retorno de recursos locais e prontamente disponíveis, como o cacto de pera espinhosa .
A Circular Organics (parte do Vale do Inseto de Kempen) produz larvas de mosca negra em resíduos da indústria agrícola e de alimentos (ou seja, excedente de frutas e vegetais, resíduos remanescentes da produção de suco de frutas e geléia). Essas larvas são usadas para produzir proteína , gordura e quitina . A graxa é utilizável na indústria farmacêutica ( cosméticos , surfactantes para gel de banho) - substituindo outros óleos vegetais como o óleo de palma - ou pode ser utilizada na forragem.
Biteback Insect produz óleo de cozinha para insetos, manteiga de insetos, álcoois graxos, proteína de fezes de insetos e quitina do superworm (Zophobas morio ).
Veja também
- Microalgas : alimentos, óleos ( biocombustíveis ) e ésteres podem ser extraídos destes
- Resíduos de alimentos : podem ser transformados em PHA (portanto, um bioplástico de matéria-prima de 2ª geração )
- Escama de peixe : pode ser convertida em filme de gelatina de peixe transparente para uso em monitores flexíveis
- Fios de limo de Hagfish : podem ser usados como têxteis
- Tomate : pode ser feito em polpa de tomate (comida), sementes de tomate (contendo ácidos graxos) e casca de tomate (contendo licopeno )
- Uso de biomateriais em têxteis sustentáveis
- Tabaco : O tabaco GM pode fornecer enzimas industriais para a produção de biocombustíveis. O tabaco também pode fornecer nicotina (ou seja, como usado em e-líquidos).
- Citrus : pode ser feito em suco (comida) e casca de frutas cítricas (contendo ácido succínico , pectina , óleo essencial , celulose , ... ou apenas utilizável como zeste)
- Biomassa (pode ser usada em sistemas CHP )
- Gaseificação
- Neutralidade de carbono
- Comercialização de energia renovável
- Criação de larvas
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links externos
- Biorrefinaria Tática
- Sacarificação
- Biossinergia
- Biorrefinaria de biomassa
- Reforma da fase aquosa .
- Wisconsin Biorefining Development Initiative .
- Película Biorrefinaria
- Instalações de biorrefinaria ativas
- Produtos químicos de maior valor agregado da biomassa: lista de produtos químicos que podem ser extraídos da biomassa