Biomasa y energia

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Materias primas
renovables
"Muchas de las materias primas de la 
industria…se pueden obtener de cultivos anuales
realizados en granjas"
Henry Ford, 1932
Dra. M. Cartagena
CHEM 3370 – Química Verde
• Describir lo que es biomasa.
• Describir el uso de la biomasa como fuente de
energía renovable.
• Explicar cómo la biomasa puede ser utilizada
como fuente química.
• Reacciones fotoquímicas
• Uso del microondas, sonoquímica y
electroquímica.
Objetivos
Dra. M. Cartagena - CHEM 3370
2
Productos obtenidos del petróleo
Siete materias primas obtenidas del petróleo: C2-C4 y BTX
etileno propileno butenos butadienos
benceno (B) tolueno (T) xilenos (X)
Cada uno también posee una variedad de derivados químicos, ej. etileno
CH2=CH2
CH2ClCH2Cl
CH2=CHCl
CH3CHO
CH3CO2H
(CH3CO)2O
CH2=CHOAc
HOCH2CH2OH
PhCH2CH3
CH2=CHPh
CH3CH2CHO
CH3CH2CO2H
CH3CH2CH2OH
Cl2
-HCl
O2 , H2O,
PdCl2
O2,
AcOH,
PdCl2
O2, Ag
H2O
C6H6
-H2
H2, CO
O2
O2
O2
H2
CH3CH2OH
H2O
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• no es sustentable
• impactos ambientales adversos directos e indirectos
• suministros limitados (presión económica y potencial riesgo de seguridad)
• problemas políticos
¿Cuál es el problema con el petróleo? 
Es usado como combustible…
Definición de desarrollo sostenible:
“tener en cuenta las necesidades del presente sin comprometer la
habilidad de generaciones futuras para suplir sus propias
necesidades"
UN Bruntland Commission 1987
Pero la vasta mayoría de la industria química está basada en 
petroquímicas - en US > 98 % de todos los químicos
comerciales son derivados del petróleo (en Europa > 90 %)
Dra. M. Cartagena - CHEM 3370
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¿Qué es la biomasa?
• Biomasa es toda aquella materia orgánica (viva o muerta)
en el planeta.
• Se compone de:
• residuos agrícolas
• residuos de cultivos tropicales
• residuos de ganadería
• desechos sólidos orgánicos
• cultivos energéticos
Composición química
Celulosa - Azúcares / Almidón
Hemicelulosa
Lignina
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Lignina - uno de los mayores
componentes de la pared celular
de las especies de madera y
hierbas.
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Biomasa
Residuos de
ganadería
Residuos de cosechas
Residuos de madera
Excedentes de producción
Residuos
agrícolas
Cultivos
energéticos
Madera
Caña de azúcar
Maíz, sorgo
Residuos
de cultivos
tropicales
Bagazo de caña
Cascarilla de arroz
Cáscara de coco
Desechos
sólidos
orgánicos
Residuos sólidos 
municipales
Residuos comerciales 
e industriales
Fuentes de biomasa
• La biomasa es un recurso muy variado y complejo debido a
su interacción con los sistemas terrestres y acuáticos con
los nutrientes y las personas.
• Sus principales características físicas y químicas son
función directa de las condiciones ambientales que se
desarrollan.
• Durante muchos años, la biomasa, fue considerada como
fuente energética de los pobres pero con desarrollo
tecnológico y las ventajas que representa sobre los
combustibles tradicionales, se ha convertido en una fuente
de energía renovable con mayor posibilidades en el futuro.
Dra. M. Cartagena - CHEM 3370 7
¿Qué es la biomasa?
Consumo de energía
oil
gas
coal
biomass + 
other renewables
nuclear
hydro
Projected Global Energy Consumption to 2030
1971 1980 1990 2000 2010 2020 2030
0
5
10
15
109 tonnes of 
oil equivalent
• demanda en energía aumentará y así también aumentará la producción
de CO2
• combustibles basados en la biomasa están atrayendo mayor atención
Fuente: World Energy Outlook 2005 (International Energy Authority)
Dra. M. Cartagena - CHEM 3370
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Pero si quemamos la biomasa, ¿no se continúa
produciendo CO2?
(CH2O)n + n O2 n CO2 + n H2O
Biomasa se dice que es “carbono neutral”, es decir, el CO2 absorbido de la
atmósfera durante el crecimiento de las plantas se devuelve al quemarse.
biomasa aceite gas natural
Contenido 15 45 55
energético (GJ tonne-1)
Como la quema de biomasa es menos calórica que la quema de
combustible fósil, formas aternativas de producir energía han llamado la
atención.
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Combustión de 
Carbohidratos
Dra. M. Cartagena - CHEM 3370
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https://sites.google.com/site/labiomasaencolombia/home/tipos-de-biomasa
Este es el grupo que en la actualidad se presenta un
mayor interés desde el punto de vista del
aprovechamiento industrial.
https://sites.google.com/site/labiomasaencolombia/home/tipos-de-biomasa
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Transformación de la Biomasa
Extracción
directa
Procesos 
bioquímicos
HÚMEDA Fermentación
alcohólica
Digestión
anaeróbica
Etanol (alcohol etílico)
Biogas (metano + CO2)
Procesos
termoquímicos
SECA
Combustión
Con exceso de 
aire
Con oxígeno
Con poco aire
Gasificación
Pirólisis
Calor
Hidrocarburos (gases)
Alcoholes (líquidos)
Carbón + alquitrán 
Gas pobre
Gas de
síntesis
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Combustión 
directa
Gasificación Digestión 
anaeróbica
Rellenos 
sanitarios
Fermentación y 
extracción
Residuos
agrícolas
Residuos de
ganadería
Residuos
de cultivos
tropicales
Desechos
sólidos
orgánicos
Cultivos
energéticos
•Energía 
térmica
•Energía 
eléctrica
•Energía 
térmica
•Energía 
eléctrica
Gas de 
síntesis
•Energía 
térmica
•Energía 
eléctrica
•Transporte
Biogas
•Energía 
térmica
•Energía 
eléctrica
•Transporte
Biogas
•Transporte
Etanol
Aceites
Energía obtenida de la biomasa
Introducción a las Fuentes Renovables de Energía Biomasa, Dr. Roberto Best y Brown,
CIE-UNAM, Agosto 2006
Biomasa como energía alternativa
• En todos estos procesos hay que analizar algunas
características a la hora de enjuiciar si el combustible
obtenido puede considerarse una fuente renovable de
energía:
– Emisiones de CO2
– Hay que analizar también si se producen otras emisiones de gases
de efecto invernadero
– Balance de emisiones como en el balance de energía útil
– Agua dulce empleada
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Combustible Contenido
Energético
GJ/tonelada
CO2 liberado
kg/ GJ
Carbón 30 80
Petróleo 42 70
Gas Natural 55 50
Madera secada al aire 15 80*
Notar que la composición del carbón, la madera y en menor proporción el petróleo puede
variar grandemente
*Si la madera se produce en forma sustentable y la combustión es completa, la emisión de
CO2 en su ciclo de vida será cercano a cero.
Emisiones de CO2 de los combustibles
Dra. M. Cartagena - CHEM 3370
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Introducción a las Fuentes Renovables de Energía Biomasa, Dr. Roberto Best y Brown,
CIE-UNAM, Agosto 2006
Ventajas de la utilización de la biomasa con fines 
energéticos
• Disminución de las emisiones de CO2
• aunque se procede con una combustión, y el resultado es H2O y CO2,
la cantidad de este gas causante del calentamiento de la Tierra, es
menor.
• No emite contaminantes sulforados o nitrogenados, ni apenas
partículas sólidas.
• Si se utilizan residuos de otras actividades como biomasa,
esto se traduce en un reciclaje y disminución de residuos.
Canaliza, por tanto, los excedentes agrícolas alimentarios,
permitiendo el aprovechamiento de las tierras.
Dra. M. Cartagena - CHEM 3370 15
• Los cultivos energéticos sustituirán a cultivos excedentarios
en el mercado de alimentos.
• Eso puede ofrecer una nueva oportunidad al sector agrícola.
• Puede provocar un aumento económico en el medio rural.
• Disminuye la dependencia externa del abastecimiento de
combustibles.
Ventajas de la utilización de la biomasa con fines 
energéticos
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• La investigación se está centrando en:
– En el aumento del rendimiento energético de este recurso.
– En minimizar los efectos negativos ambientales de los residuos
aprovechados y de las propias aplicaciones.
– En aumentar la competitividad en el mercado de los productos.
– En posibilitar nuevas aplicaciones de gran interés como los
biocombustibles.
Tecnología aplicada a la biomasa está sufriendo un 
gran desarrollo
Dra. M. Cartagena- CHEM 3370 17
• Tiene un mayor costo de producción frente a la energía que
proviene de los combustibles fósiles.
• Menor rendimiento energético de los combustibles derivados
de la biomasa en comparación con los combustibles fósiles.
• Producción estacional
• La materia prima es de baja densidad energética lo que
quiere decir que ocupa mucho volumen y por lo tanto puede
tener problemas de transporte y almacenamiento.
• Necesidad de acondicionamiento o transformación para su
utilización.
Desventajas de la utilización de la biomasa con fines 
energéticos
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Producción de 
biocombustibles a 
partir de biomasa
Dra. M. Cartagena - CHEM 3370
Biocombustible – Producción de Biodiesel
triglicérido, componente
mayoritario del aceite
vegetal
fatty acid ester,
biodiesel
Por ejemplo, triglicéridos basados en el aceite de palma contienen:
42.8 % palmitic acid (1-hexadecanoic acid; CH3(CH2)14CO2H)
40.5 % oleic acid (cis-9-octadecenoic acid; CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7CO2H)
10.1 % linoleic acid (cis,cis-9,12-octadecadienoic acid; CH3(CH2)3(CH2CH=CH)2(CH2)7CO2H)
4.5 % stearic acid (1-octadecanoic acid; CH3(CH2)14CO2H)
0.2 % linolenic acid (cis,cis,cis-9,12,15-octadecatrienoic acid; CH3(CH2CH=CH)3(CH2)7CO2H)
Dra. M. Cartagena - CHEM 3370
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Ventajas y desventajas del biodiesel
Ventajas:
• Modificaciones genéticas pueden aumentar el rendimiento del aceite.
• Bacterias pueden ser más productivas.
• Amplia gama de aceites tolerados (incluso el aceite residual de la tienda de
chips se puede reciclar de esta manera)
• Fuente de combustible neutral (en teoría) y biodegradable
• Glicerina como producto secundario
Desventajas:
• Uso de la tierra
• Mayor viscosidad que el diesel normal (poco confiable en climas fríos)
• Para mantener bajos los costos, la etapa de transesterificación debe ser rápida:
el catalizador a menudo es NaOH, que también causa saponificación (éster
hidrolizado de Na del ácido graso), lo que requiere largos procedimientos de
separación.
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Fatty acid
Los ácidos grasos pueden ser utilizados también
como materias primas químicas
1. Modificación del grupo funcional ácido
Wax esters (lipids)
Fatty amides
Nitriles
Amine
R4N
+ salts
Fatty alcohol
Alcohol ethoxylate
(pesticides)
Metal 
carboxylates
1-alkenes
Sulfosuccinates
(surfactants)
ROH
NR3 -H2O
H2
RX
H2
ethylene
oxide
Na2SO3
maleic anhydride
-H2O
Na, Al, Zn, Mg
hydroxides
triglyceride
Dra. M. Cartagena - CHEM 3370
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2. Modificación del grupo funcional alqueno
Fatty acid cis-trans isomers
epoxidesdiols (precursors
for polyurethanes)
conjugated fatty
acids (lipids)
medium chain acids
and alkenes
short chain acids
and diacids
olefin metathesis
(C2H4)
ozonolysis
H+ or NOx
(i) H+, H2O
(ii) H2
[O]
base
Dra. M. Cartagena - CHEM 3370
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Los ácidos grasos pueden ser utilizados también
como materias primas químicas
Ejemplo: ácido erúcico (C22)
CH3(CH2)20CO2H CH3(CH2)20CH2OH
HO2C(CH2)11CO2H
erucic acid (rapeseed)
erucamide
(slip agent)
behenic acid
(PVC antiblocking agent)
behenyl alcohol
(cosmetics)
brassylic acid
(nylon 13,13 precursor
and musks)
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Producción de Bioetanol
C6H12O6 2 C2H5OH + 2 CO2
yeast
Desventajas
• De todos los sacáridos presentes en la biomasa, solo la glucosa se
fermenta fácilmente, lo que disminuye la competitividad y aumenta los
desechos (la ingeniería genética puede resolver este problema).
• Las enzimas no funcionan si la concentración de EtOH es demasiado
alta (normalmente debe ser <15%). Por lo tanto, se requiere una
destilación costosa e intensiva en energía.
Ventajas
• El bioetanol hidratado barato se puede usar solo como combustible para
automóviles, pero requiere motores especialmente adaptados. El bioetanol
anhidro debe mezclarse con gasolina (hasta 22%), pero luego puede
usarse en motores convencionales.
Ahora la investigación va dirigida hacia la conversión de 
materias primas ligninocelulósicas a azúcares.Dra. M. Cartagena - CHEM 3370 25
12 productos químicos derivados de azúcares
1,4-diacids, 
e.g succinic acid
2,5-furandicarboxylic acid 3-hydroxypropionic acid
aspartic acid glucaric acid glutamic acid
itaconic acid levulinic acid 3-hydroxybutyrolactone
glycerol sorbitol xylitol
Dra. M. Cartagena - CHEM 3370
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Fuente: Imperial College London
Pueden producir una variedad de derivados químicos
c-valerolactone 2-methyl THF
acrylic acid
1,4-pentanediol
levulinate 
esters
acetyl 
acrylic acid
5-amino
levulinic acid
diphenolic 
acid
cellulose
H2SO4 > 200°C
glucose
200°C
-HCO2H
Ácido levulínico
herbicide
solvent, fuel 
oxygenate
monomer
bisphenol A
substitute
biodiesel
additive
polyester 
precursor
solvent
monomer
Dra. M. Cartagena - CHEM 3370
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Ácido levulínico
Fuente: Imperial College London
Diferencia entre las petroquímicas y los químicos
obtenidos de la biomasa
La mayor diferencia…el contenido de oxígeno.
Química basada en hidrocarburos Química basada en carbohidratos
Slide 3 Slide 27
Dra. M. Cartagena - CHEM 3370
28
Una fuente alternativa de productos químicos de biomasa -
Syn-gas (“synthesis gas”)
Dra. M. Cartagena - CHEM 3370
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Es una mezcla de gases que se compone de hidrógeno y de
monóxido de carbono.
1:2CO:Η2 
Componentes del syngas
Una fuente alternativa de productos químicos de biomasa -
Syn-gas (“synthesis gas”)
Una fuente alternativa de productos químicos de biomasa -
Syn-gas
Tres rutas clásicas:
1. Reforma de vapor de metano
2. Proceso de gasificación Shell
3. Gasificación de carbón
1 : 3
1 : 1
1 : 1
1 : 0
Dra. M. Cartagena - CHEM 3370 31
Fuente: Imperial College London
Tecnología existente de Syn-gas
Biomass
CO + H2 Gasoline
Fischer Tropsch
MeOH
CH3CO2H
alkanes
aromatics
MeCl
ROH
HCHO
N2
NH3
CO2
acrylic
acid
urea
urea-formaldehyde
(Bakelite) resins
polymers
EtOH
esters
ethers
-H2OC2H4
polyethylene
oligomers
aldehydes
acids
alcohols
ethylene
oxide
O2 + Ag
H2O + Rh catalyst
CO + Ir / Rh cat.
zeolite H-ZSM-5
Al2O3 / Pt
HCl
CO, H2
CO, H2
Dra. M. Cartagena - CHEM 3370
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Fuente: Imperial College London
Materias primas química renovables
Cuatro enfoques:
• usar productos químicos extraídos directamente de las plantas
e.g. sucrosa, aceites vegetales, ácidos grasos, almidón
• utilizar productos químicos extraídos mediante una modificación de
biomasa
e.g. bioetanol, furanos, ácido levulínico, ácido adípico,
• sintetizar productos químicos mediante conversión de productos químicos
de biomasa
e.g. polilactida
• utilizar la biomasa como fuente de componentes básicos “building blocks”
(H2, CO, CH4 etc)
e.g. Syn-gas, polietileno
Dra. M. Cartagena - CHEM 3370
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Polímeros renovables – enfoque 1 
Los cuatro enfoques para usar materias primas derivadas de biomasa se
encuentran en la química de polímeros.
Enfoque 1: usar productos químicos extraídos directamente de las plantas
e.g. almidón
e.g. celulosa
amilosa
amilopectina
Ventajas de polisacáridos
• Baratos y biodegradables
Desventajas
•Propiedades difíciles de modificar
Dra. M. Cartagena - CHEM 3370 34
Ácido levulínico
Enfoque 2: utilizar productos químicos extraídos
mediante una modificación de biomasa
e.g. Polihidroxialcanoatos - PHAs
R = Me: poli(hidroxibutirato) - PHB
R = Et: poli(hidroxivalerato) - PHV
En ausencia de N2, bacteria forman PHAs
como almacenamiento de energía (al igual
que las plantas producen almidón).
Acumulación de PHA en 
rhodobacter sphaeroides
Ventajas de PHAs:
Propiedades físicas deseables y biodegradable
Desventajas:
Alto costo de producción y procesamiento
Dra. M. Cartagena - CHEM 3370
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Enfoque 3: sintetizar productos químicos mediante
conversión de productos químicos de biomasa
e.g. Poly(lactic acid) - PLA 
maíz
OO
HO
CH2OH
HO O
n
HO
OH
Me
O
almidón ácido láctico
Me
O
O
n
oligómeros
O
O
O
O
Me
Me
lactida
O
Me
O
O
O
Me
n
ácido poliláctido,PLA
fermentación
degradación
enzimática
condensación
de crecimiento
gradual
(-H2O)
calor
Apertura de anillo
polimerización
(alarga la cadena)
Dra. M. Cartagena - CHEM 3370
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Polilactida a ácido poliláctico
La síntesis de PLA ahora se está realizando a una escala
industrial de forma verde…
O
O
O
O
Me
Me
O
Me
O
O
O
Me
n
160 °C
No solvente
Se utiliza el catalítico tin (II) bis(2-ethylhexanoate) a nivel industrial.
Dra. M. Cartagena - CHEM 3370 37
acrylic
acid
ethylene
oxide
C2H4
Enfoque 4: utilizar la biomasa como fuente de componentes
básicos “building blocks” – economía Syn-gas
Biomass
CO + H2 Gasoline
Fischer Tropsch
MeOH
CH3CO2H
alkanes
aromatics
MeCl
ROH
HCHO
N2
NH3
CO2
urea
urea-formaldehyde
(Bakelite) resins polymers
EtOH
esters
ethers
-H2O
polyethylene
oligomers
aldehydes
acids
alcohols
O2 + Ag
H2O + Rh catalyst
CO + Ir / Rh cat.
zeolite H-ZSM-5
Al2O3 / Pt
HCl
CO, H2
CO, H2
monomers
polymers
Dra. M. Cartagena - CHEM 3370
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Fuente: Imperial College London
Conclusiones
Aunque es totalmente diferente, el calentamiento global y la
química verde comparten una potencial solución - biomasa.
Biomasa puede ser convertida en combustible y en materias
primas para la química industrial de la misma forma que el
aceite está siendo utilizado para producir combustible.
Cuatro enfoques se le pueden dar a la biomasa para proveer
materias primas:
• (i) uso directo de compuestos que se encuentran de
forma natural
• (ii) modificación de la biomasa (un solo paso)
• (iii) conversión de la biomasa a través de varios pasos
• (iv) gasificación de la biomasa para obtener syn-gas
Dra. M. Cartagena - CHEM 3370
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• El uso de la biomasa como fuente de
combustibles se adapta bien a la
infraestructura petroquímica existente.
• El uso de la biomasa como fuente de
materia prima requiere el desarrollo de
una nueva química de reducción (los
productos petroquímicos usan la química
de oxidación).
Dra. M. Cartagena - CHEM 3370 40
Conclusiones
Revisando los objetivos para esta clase…
• Explicamos el concepto de neutralidad del carbono.
• Describimos el uso de la biomasa como fuente de
energía renovable.
•Describimos el uso de la biomasa como fuente de
productos químicos.
Biomasa quemada retorna CO2 a la atmósfera.
Quemar combustible fósil aumenta el CO2 en la atmósfera.
Bajas temperaturas: biotecnología / fermentación para producir bioetanol.
Altas temperaturas: carbón, gases, calor, etc.
Ácidos grasos: producción de biodiesel.
Potencialmente más importante: gasificación para obtener syn-gas
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