El concepto de biorrefinería se define como una instalación industrial en la que la biomasa se procesa y transforma para producir productos de alto valor añadido (químicos y/o materiales) y vectores energéticos (carburantes, gases energéticos o calor) [2]. El concepto de biorrefinería es análogo al de refinería de petróleo actual, en la cual se producen diversos combustibles y productos químicos pero desde el petróleo. La sección de bioenergía de la Agencia Internacional de la Energía (IEA) ha definido en su tarea 42 el desarrollo de las biorrefinerías. La tarea consiste en el desarrollo de procesos sostenibles para la conversión de biomasa a productos y energía. Pero esta definición va más allá, e incluye entre los objetivos la producción simultánea de alimentos, tanto para alimentación humana como animal, productos químicos, materiales, combustibles, electricidad y/o calor, todo esto de un modo social y medioambientalmente aceptable al mismo tiempo que rentable desde un punto de vista económico.
Los principales componentes de la biomasa de interés en biorrefinerías difieren respecto a los del petróleo crudo. En el caso de la biomasa predominan las compuestos
oxigenados: carbohidratos (celulosa, hemicelulosa) y lignina, como se comentará más en detalle a continuación. También aparecen cantidades menores de otros productos como proteínas, lípidos, terpenos, vitaminas, pigmentos, aromas y minerales/sales que sin embargo pueden tener un elevado valor añadido.
Una imagen muy genérica de una biorrefinería aparece reflejada en la Figura 1.1.
Figura 1.1. Proceso de obtención de múltiples productos desde materias primas, adaptado de Kamm et al. [3].
En el proceso de implantación de las biorrefinerías pueden diferenciarse diferentes etapas. Las biorrefinerías de generación I se caracterizan por su escasa flexibilidad en lo que respecta al tipo de materias primas que pueden alimentarse y de los productos que se pueden obtener. Las unidades de Generación II son más flexibles en los productos finales. Finalmente, las de Generación III permitirían procesar
multitud de materias primas para obtener un amplio abanico de productos finales, al igual que las refinerías de petróleo actuales. Actualmente, el concepto de biorrefinería está aún en su infancia. Solamente existen biorrefinerías muy primarias que procesan un determinado tipo de biomasa (aceite, caña de azúcar, maíz, etc.) a un determinado tipo de producto (biodiésel, bioetanol, etc.). Una biorrefinería madura sería una instalación muy flexible en cuanto a tipo de materia prima y a productos obtenidos en función de la oferta y la demanda (tal y como sucede en una refinería convencional petroquímica) [3].
En función de los productos y las tecnologías que se traten en las biorrefinerías se podrían distinguir 5 tipos de plataformas diferentes. Así, nos encontramos (i) la termoquímica, (ii) la de biogás, (iii) la oleoquímica, (iv) la de azúcares y (v) la de técnicas genéticas.
Sin embargo, una clasificación rigurosa de los tipos de biorrefinería no es sencilla, y más teniendo en cuenta la creciente complejidad de las mismas. Recientemente se ha publicado una clasificación sistemática teniendo en cuenta la plataforma, productos, materias primas y procesos [4].
El uso de materias primas biomásicas en sustitución del petróleo está generando un importante debate internacional debido a los costes de producción, viabilidad del proceso y la competencia con los alimentos. Hoy en día existe un amplio consenso en considerar que de todas las biorrefinerías industriales, la que tiene mayores perspectivas de éxito es la basada en lignocelulosa. Esta materia prima presenta la ventaja de su abundancia, su bajo coste y no introduce excesivas tensiones en la industria agroalimentaria como otros tipos de biomasa (granos de cereal: como maíz, trigo, avena o cebada; oleaginosas; caña de azúcar, etc.) [5]. Como se recoge en la Figura 1.1, las materias primas aprovechables son muy variadas, incluyendo, obviamente, la biomasa cultivada con tal propósito, pero también restos de cosechas, restos de talas forestales e incluso residuos sólidos urbanos. Además, según la Directiva 2009/28/EC, los biocombustibles obtenidos a partir de materias primas
lignocelulósicas contarán el doble para los objetivos del 10% comentados anteriormente.
1.2.2. Lignocelulosa
La lignocelulosa es el componente mayoritario de los vegetales y su función es la de proporcionar la estructura rígida. Se encuentra presente tanto en las raíces como en los tallos o troncos y hojas. Está constituida por celulosa (polisacárido de glucosa cristalino), hemicelulosa (polisacárido complejo amorfo compuesto mayoritariamente de xilosa) y lignina (polímero formado a partir de alcoholes fenilpropílicos) [5] (Figura 1.2). O O O H OH OH O O O H OH OH O O O H OH OH O O O H OH OH O O O O H OH OH O O O H OH OH O O O H OH OH O O O H OH OH O O H OH O H OH O O H OH O O Biomasa lignocelulósica Celulosa 35-50% Lignina 10-25% Hemicelulosa 20-40%
Estructura cristalina de la celulosa
Monómeros constituyentes de la lignina: alcoholes cumarílico, coniferílico y sinapílico
O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O
Monómeros constituyentes de la hemicelulosa amorfa: pentosas (xilosa y arabinosa) y hexosas
(galactosa, glucosa y manosa)
Lignina Celulosa
Hemicelulosa
Figura 1.2. Estructuras de las diferentes fracciones de la biomasa lignocelulósica (celulosa, lignina y hemicelulosa) [5].
A su vez, la celulosa (38-50%) consiste en un polisacárido con enlaces (1,4) de monómeros de D-glucopiranosa. La celulosa es un material cristalino con una
conformación plana extendida de doble hélice. Los puentes de hidrógeno ayudan a mantener y reforzar la conformación en cadena. El grado de polimerización de la celulosa depende del tipo de celulosa pero en general es aproximadamente de 10.000 a 15.000 monómeros de glucopiranosa en la madera y el algodón respectivamente.
La hemicelulosa, que representa aproximadamente el 20-40% en peso de la lignocelulosa, es un polisacárido de diferentes pentosas (xilosa y arabinosa) y hexosas (galactosa, glucosa y manosa) que se encuentran altamente sustituidas con ácido acético. El componente más abundante de la hemicelulosa es el xilano (un polímero de xilosas unidas por enlace (1,4). La hemicelulosa es amorfa por su naturaleza ramificada por lo que, comparada con la celulosa, resulta relativamente fácil su sacarificación.
Por otro lado, entre el 10 al 25% en peso de la lignocelulosa está constituido por lignina, que es un polímero formado a base de monómeros fenilpropílicos (alcoholes cumarílico, coniferílico y sinapílico), muy ramificado y sustituido que se encuentra en las paredes celulares vegetales. La lignina se asocia normalmente con la celulosa y la hemicelulosa para formar la lignocelulosa. Dependiendo del tipo de monómeros estructurales se obtienen diferentes tipos de lignina. La lignina se encuentra recubriendo todo el conjunto anterior, y es muy inerte químicamente, por lo que otorga al material una alta resistencia a los ataques químicos y/o biológicos.
Es por esto que para el procesado de la lignocelulosa son necesarios pretratamientos físico-químicos que permitan romper la barrera que supone el recubrimiento de lignina alrededor de la celulosa y la hemicelulosa y facilitar el acceso a estos compuestos, como se explicará en el siguiente apartado.