Valorización de biomasa residual por medio de carbonización hidrotermal (HTC) : estudio cinético de generación de subproducto.
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2022-05-11
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Descripción
En la actualidad Colombia es un país que cuenta con la capacidad de incrementar su producción agrícola, lo que ocasiona el aumento en el volumen de residuos generados. Por tanto, esto representa un desafío para el sector agroindustrial y la comunidad científica de Colombia, ya que, es necesario generar iniciativas que promuevan el aprovechamiento de las biomasas residuales, que a su vez contribuirán con el desarrollo sostenible del país. En este sentido, se han estudiado diferentes métodos de transformación de la biomasa residual para la obtención de una amplia gama de compuestos químicos plataforma, derivados, bioenergía y biocombustibles. En relación con lo anterior, la biomasa requiere de un proceso de biorrefinería que consiste en integrar procesos y tecnologías que, transforman de manera eficaz y sostenible la materia prima renovable, en diversos productos intermedios y finales. La biorrefinería se puede dar mediante procesos térmicos, químicos, mecánicos, enzimáticos o microbiológicos.
Como una solución a esta problemática se espera mejorar e implementar el estudio de biorrefinería por el proceso de conversión hidrotermal de la biomasa residual que involucra distintas transformaciones físicas y químicas de compuestos ricos en carbono. Además, se caracteriza por la variación de las condiciones de temperatura y presión en medio acuoso, produciendo la fragmentación de la biomasa por acción del agua en estado subcrítico.
Dependiendo de la variación en la temperatura y presión, el proceso hidrotermal puede ser: carbonización hidrotermal (HTC), licuefacción hidrotermal (HTL) o gasificación hidrotermal (HTG). El proceso de HTC se lleva a cabo a temperaturas entre (180-220 °C) y presiones de 2-5 MPa para la producción de subproductos sólidos con alto contenido de biocarbón.
Este trabajo presenta los resultados obtenidos en la investigación desarrollada, en aras de evaluar y establecer los parámetros de operación óptimos para la formación de productos de alto valor, a partir de la transformación hidrotermal HTC de residuos agrícolas del cultivo de papa. Por lo tanto, en esta propuesta se realizó una revisión bibliográfica que permitió conocer el contexto, los antecedentes y la fundamentación teórica, para así, establecer el diseño metodológico más adecuado durante la investigación.
Para dar cumplimiento a los objetivos planteados se realizó un diseño experimental de cuatro etapas, estas son: el pretratamiento primario de la biomasa, en esta etapa se reduce el tamaño de partícula de la muestra, lo que incrementa el área superficial, facilitando el proceso de conversión de la biomasa. Caracterización de la biomasa, en esta etapa se determina la composición química de la biomasa. Conversión hidrotermal, en esta etapa se realiza el proceso de transformación de la materia prima en productos de alto valor, por medio de un sistema presurizado de agua en condiciones subcríticas HTC. Siguiendo el proceso, se realizó la separación de las fracciones, se caracterizaron y se determinó el rendimiento del proceso. Se Analizó y cuantificó con HPLC el porcentaje de azúcares, 5-hidroximetilfurfural (5-HMF) y ácido levulínico (AL) de las fracciones líquidas obtenidas en todos los experimentos, con la finalidad de dar seguimiento a la formación de estos productos químicos de plataforma. Finalmente, se presenta un modelo cinético de pseudoprimer orden, que facilita definir y comparar tiempos, hallando constantes cinéticas para identificar reacciones intermedias, usando la medida de conductividad como carácter principal. Esta propiedad siguió un patrón ordenado en función del tiempo, proporcionando un análisis que permite plantear ecuaciones al estudiar la concentración de las especies químicas en un reactor continuo.
Resumen
Colombia is currently a country that has the capacity to increase its agricultural production, this fact causes an increase in the volume of waste generated. Therefore, this represents a challenge for the agro-industrial sector and the scientific community in Colombia, because is mandatory to generate initiatives that promote the use of residual biomass, which play in favor to contribute to the Colombian sustainable development.
In this sense, different methods of transformation of residual biomass have been studied to obtain a wide range of chemical platform compounds, derivatives, bioenergy, and biofuels. In relation to the above, biomass requires a biorefining process, which consists of processes and technologies integrated to transform, efficiently and sustainably, renewable feedstock into various intermediate and final products. Biorefining can occur through thermal, chemical, mechanical, enzymatic, or microbial processes.
As a solution to this problem, it is expected to improve and implement the biorefining study via hydrothermal conversion process of residual biomass. This involves different physical and chemical transformations of carbon-rich compounds. In addition, it is characterized by the variation of temperature and pressure conditions in aqueous medium, inducing the biomass fragmentation by water in a subcritical state action.
Depending on the variation in temperature and pressure, the hydrothermal process can be hydrothermal carbonization (HTC), hydrothermal liquefaction (HTL) or hydrothermal gasification (HTG). The HTC process is carried out at temperatures between (180-220 °C) and pressures of 2-5 MPa to produce solid by-products with high carbon content.
This work presents the results obtained in the research to evaluate and establish the optimal operating parameters for the formation for high value products by the HTC hydrothermal process of agricultural residues from potato agro-industrial waste. Therefore, in this proposal, a bibliographic review was carried out to know the context, the background, and the theoretical basis, to establish the most appropriate methodological design during the research.
In order to achieve the objectives, a four stages experimental design was carried out: The first one was a biomass pretreatment, in this stage the particle size is reduced, which increases the surface area, facilitating the biomass conversion process. Later, chemical biomass composition is determined to appropriate biomass characterization. Third stage, the transformation process of the raw material into high value products is carried out under HTC subcritical conditions. Finally, the fractions were separated, characterized and the process yielding was calculated. In this way, using HPLC method the percentage of sugars, 5-Hydroxymethylfurfural (5-HMF) and levulinic acid (AL) into the liquid fractions obtained. With the purpose of following up the formation of these platform chemicals in all the experiments quantity were done. A pseudo-first order kinetic model is proposed, which facilitates defining and comparing times by finding kinetic constants to identify intermediate reactions, using the conductivity measurement as the main character. This property followed an ordered response as a function of time, providing an analysis that allows equations to be proposed when studying the concentration of chemical species in a continuous reactor.
Palabras clave
Biomasa, Papa, 5-Hidroximetilfurfural, Ácido levulínico