Investigador Principal de la UCC:

Prof Dr Ramon Fernando Colmenares Quintero
Email  ramon.colmenaresq@ucc.edu.co

En las actuales condiciones del sector industrial se generan bienes que tienen alta demanda y normalmente son producidos en grandes volúmenes. El uso de estos productos y la operación de los procesos productivos para obtenerlos generan altas cantidades de residuos, lo que representa un problema de creciente preocupación. La gestión de esta ingente cantidad de residuos se deposita directamente en la naturaleza generando polución.

Sí en vez de verterlos los residuos son aprovechados se generan las siguientes ventajas: aumento de recursos y materias primas, disminución de costos de producción y mejora del entorno, influyendo positivamente en la mejora del calentamiento global. Por otro lado, la producción y el consumo de alimentos provenientes de la siembra y el cultivo de alimentos como caña, café, cacao, la siembra y posterior tala de árboles también generan residuos. Ante problemas como los mencionados, la biorrefinería de segunda generación brinda la posibilidad de aprovechar estos residuos de biomasa. La biorrefinería como proceso innovador aprovecha la denominada biomasa, y se muestra como un proceso sostenible pues determina el uso de nuevas fuentes de recursos partiendo de biomasa lignocelulósica que debidamente fraccionada permite obtener productos de alto valor agregado como biocombustibles, biopolímeros como sustitutos a los tradicionales plásticos, productos químicos derivados, entre otros.

La celulosa, la hemicelulosa y la lignina son las principales fracciones de los residuos de biomasa lignocelulósica, ya sea forestal o agrícola. Estas fracciones puede ser separadas en procesos de biorrefinería porque tienen diferentes y variadas aplicaciones en la industria farmacéutica, de alimentación, cerámica, de la construcción entre otras. En concreto, en Ecuador la presencia en ingentes cantidades de biomasa residual proveniente de la industria maderera, cervecera, cacaotera, arrocera proveniente de la siembra, cultivo, cosecha y procesamiento de dichos alimentos brinda la posibilidad de emprender procesos de biorrefinería enfocados a la revalorización de estos residuos.

La biomasa requiere de procesos de pretratamiento para separar los componentes químicos útiles de la pared celular vegetal de los residuos y poder utilizar esas fracciones. Los métodos tradicionales de fraccionamiento como hidrólisis ácida o enzimática presentan algunas desventajas como los altos costos, el uso de reactivos peligrosos y catalizadores y el gasto energético, produciendo además gran cantidad de inhibidores para posteriores procesos. Esto ha traído consigo la necesidad de recurrir a procesos de pretratamiento novedosos. Algunos procesos pueden ser los denominados disolventes eutécticos profundos, los cuales no son volátiles, son menos costosos que otros líquidos iónicos, operan a temperaturas más bajas y no son peligrosos. Por otra parte, en función del lugar de aplicación de los procesos de biorrefinería, con el objeto de no utilizar reactivos no disponibles fácilmente y poder utilizar estos procesos en pequeñas comunidades rurales, se pueden emplear procesos hidrotérmicos como pretratamiento.

El objetivo del presente trabajo de investigación es la selección de los mejores métodos de fragmentación de biomasa lignocelulósica proveniente de residuos agrícolas o forestales en el marco de los denominados disolventes eutécticos profundos y procesos hidrotérmicos en la ciudad de Riobamba. Por otra parte, se pretende modelar y optimizar el proceso de fraccionamiento seleccionado tomando en cuenta variables independientes de operación: tiempo, concentración de reactivos, caudales, presiones y como variables dependientes, el contenido de celulosa, lignina, hemicelulosa, así como las características físico-químicas, como densidad o viscosidad.

Justificación

Para que la producción industrial nacional sea más competitiva requiere del desarrollo de nuevas tecnologías e innovación y nuevos bienes de consumo para satisfacer una sociedad en crecimiento que exige mejor calidad y productos que provengan de procesos más amigables con el ambiente, (Encinck, 2018). Estas y otras industrias generan residuos o subproductos en grandes volúmenes que se constituyen en un problema ambiental y que por lo tanto es necesario desarrollar un uso eficiente de los mismos propendiendo a la tecnología. Por otro lado, la necesidad cada vez mayor de reemplazar materias primas fósiles por materiales renovables han llevado a establecer la biorrefinería como una respuesta integral para un desarrollo sustentable, (Palmeros Parada et al, 2017).

Con el uso adecuado de los materiales lignocelulósicos denominados en este proyecto biomasa y con el adecuado diseño del proceso de biorrefinería se podrá determinar cuáles son las principales variables a manejar: volúmenes, densidades, temperaturas, mezcla de reactivos y biomasa de manera que el proceso de biorrefinería consiga separar de manera adecuada los componentes de la biomasa y obtener celulosa y hemicelulosa que pueda ser empleada en las distintas aplicaciones como son: industria de las cosmética, alimentación, construcción entre otras.

Los procesos de simulación empleando software especializado como ASPEN PLUS permitirán poner a la biorrefinería en escenarios de operación en donde se simule la presencia de los equipos, la mezcla y tratamientos de la biomasa y los cambios que deban darse a la biomasa hasta conseguir los derivados requeridos. La simulación reviste importancia en el área de ingeniería industrial debido a que no solo se simulan procesos químicos sino también procesos térmicos y de separación misma de los componentes de biomasa. La obtención de un diseño adecuado de biorrefinería permitirá hacer diseños a escala de laboratorio, de prototipo y en lo posterior dejar lista la información para que la biorrefinería pueda replicarse en las zonas rurales de la ciudad de Riobamba de manera que a futuro se abran nuevas líneas de investigación y oportunidades para que las comunidades puedan reducir los niveles de contaminación, generar actividades productivas así como posibilidades de ingresos económicos.

La redacción de artículos científicos de alto impacto permitirá difundir los hallazgos encontrados de manera que el conocimiento pueda difundirse en la comunidad universitaria y también en otras latitudes con la participación en congresos internacionales.

Objetivo General

Estudiar procesos de biorrefinería desde la materia prima, su caracterización, su fraccionamiento y el modelado y simulación de esos procesos, aplicados a biomasa proveniente de residuos lignocelulósicos empleando tratamientos térmicos y disolventes eutécticos profundos; estudio de caso: Riobamba Ecuador.

Objetivos Específicos:

• Aplicar los mejores métodos de fragmentación de biomasa lignocelulósica proveniente de residuos agrícolas o forestales en el marco de los denominados disolventes eutécticos profundos y procesos hidrotérmicos en la ciudad de Riobamba.
• Modelar utilizando ensayos de laboratorio y simulación con herramientas de ingeniería química de manera óptima, el proceso de fraccionamiento seleccionado tomando en cuenta variables independientes de operación: tiempo, concentración de reactivos, caudales, presiones, y variables dependientes como el contenido de celulosa, lignina, hemicelulosa, así como las características físico-químicas, como la densidad o viscosidad.

Metodología

La metodología a seguir durante el proyecto se puede mostrar en las siguientes etapas:

I. En la primera etapa se ejecutará un diagnóstico y búsqueda de residuos lignocelulósicos en la provincia de Chimborazo, los residuos serán aquellos derivados de la agricultura y en general residuos lignocelulósicos (un ejemplo puede ser en lo referente a la madera, por su alta disponibilidad, el eucalipto azul o eucalipto común, (Eucalyptus globulus), para los residuos considerados se hará una revisión bibliográfica y constatación en sitio de su disponibilidad, se verificarán las formas de acceso que permitan llevarlo a un esquema de biorrefinería;

II. la segunda etapa será el análisis químico y caracterización de los residuos a emplear, entre otras cosas se requerirá de triturar, separar y homogenizar el material, así como ejecutar balances de masa y análisis químicos de las fracciones mayoritarias y otros más detallados;

III. se procede entonces hacia la búsqueda de procesos de fraccionamiento orientados sobre todo a emplear disolventes eutécticos profundos y tratamientos hidrotérmicos. Luego de las debidas pruebas en escala de laboratorio se procederá a la selección de los procesos de fraccionamiento definiendo claramente las variables, equipos, etapas, reactivos y demás elementos que intervienen;

IV. una vez conseguidos y probados los procesos de fraccionamiento y recogidas sus variables, se procederá al diseño de experimentos para estudiar el comportamiento del pretratamiento de biorrefinería y reducir las variaciones que los mismos puedan tener;

V. con los experimentos definidos se ejecutarán pruebas a escala de laboratorio y se analizarán los resultados comparándolos con los diseños iniciales para hacer correcciones respectivas;

VI. en la siguiente etapa interviene la simulación y modelado de los procesos, para dar el sustento adecuado se revisará literatura existente, para contar con un marco referencial y comparar con los resultados obtenidos en la fase de experimentación; y,

VII. finalmente se procederá a recoger y comunicar los resultados a través de artículos de investigación, posters y ponencias.

Resultados Esperados

Modelos de biorrefinería empleando software especializado ASPEN, artículos de investigación de alto impacto, ponencia internacional e información actualizada y validada sobre procesos de biorrefinería.

Impactos Potenciales:

La valorización de biomasas cuenta con una enorme capacidad para generar actividad económica y empleo en el territorio en el que se desarrolle, debido fundamentalmente al necesario aprovisionamiento continuo de las instalaciones, las cuales cuentan con un marcado carácter industrial. Así como para contribuir, de manera decisiva, a la cohesión territorial y a la fijación de población en áreas rurales con riesgo de despoblamiento, debido a que tanto las biomasas como las instalaciones valorizadoras se localizan generalmente en el medio rural, donde se encuentran los recursos. Entre los principales impactos de la valorización y modelación de biorrefinerías se mencionan.

En lo científico que es el que motiva en primera instancia la presente investigación, el impacto del presente proyecto se puede describir de la siguiente manera:

• Creación y transferencia de conocimiento, aumentando la ventaja competitiva nacional e incrementando la competitividad comercial de las zonas beneficiadas.
• Generación de conocimiento a partir de la experimentación e interrelación, universidad – comunidad beneficiaria lo que por otra parte contribuye a mejorar la imagen institucional y posicionamiento en el entorno científico.
• Creación de vínculos de investigación con empresas, y sobre todo, instituciones académicas de Europa. En concreto, en el proyecto colaborarán 3 instituciones académicas más, la Universidad de Cantabria (España), la Universidad Técnica de Lublin (Polonia) y la Universidad Cooperativa de Colombia. Por otro lado, este proyecto está también relacionado con un proyecto con la Unión Europea y Latinoamérica, CELISE. Estos vínculos podrán establecer futuras colaboraciones, tanto en investigación, como en docencia y en transferencia del conocimiento.

Los principales impactos económicos a largo plazo, producto de la puesta en marcha de instalaciones de biorrefinería se pueden resumir de la siguiente manera:

• Generación de empleos asociados al aprovisionamiento de las instalaciones y capacidad de mantenimiento de estos en el tiempo, (actuaciones en continuo: recogida, pretratamientos, distribución y transporte de combustibles biomásicos). Dinamización del medio rural como consecuencia de la mejora socioeconómica de las áreas rurales y del equilibrio territorial, al ser donde se localizan generalmente los recursos biomásicos y las instalaciones valorizadoras.
• Aprovechamiento económico de los residuos generados en los sectores de agricultura y forestal.
• Ahorro en la gestión y tratamiento de residuos y contribución al depósito cero de materia orgánica en vertedero.

Los impactos medioambientales se relacionan con la reducción de emisiones y la mejora de la calidad del aire, además de contribuir a evitar el abandono, enterramiento o quema incontrolada de residuos potencialmente contaminantes y perjudiciales para determinados hábitats, específicamente las áreas rurales de la ciudad, (debido a lixiviación de nitratos, incendios forestales, etc.). Entre los principales beneficios medioambientales pueden destacarse los siguientes:

• Aprovechamiento de determinados residuos orgánicos como materias primas de procesos industriales, (de residuo a recurso).
• Disminución de incendios forestales de gran magnitud e indiscriminados en los bosques de donde provienen los residuos a emplear.
• Contribución a la conservación de la biodiversidad de las zonas donde se interviene.