The Forest Biorefinery: Una oportunidad para la industria papelera

A mediados de la pasada década comenzaron a sonar con fuerza términos como “integrated forest biorefinery” o “wood biorefinery” para referirse a una instalación que tomando como base una fábrica de producción de papel tradicional incorporase los procesos de separación y conversión necesarios para convertir biomasa en energía, biocombustibles y un amplio rango de productos químicos. Es la aplicación del concepto de biorrefinería al sector papelero. Esta industria ya representaba en aquel entonces la punta de lanza de este modelo pues una planta papelera tradicional puede considerarse como una biorrefinería de primera generación en la que se produce papel, bioenergía y otros bioproductos de manera sostenible a través de tecnologías maduras. De hecho, la implementación de conceptos no convencionales más o menos cercanos a lo que se entiende actualmente por biorrefinería, no es una novedad en el sector papelero. Por ejemplo, ya a mediados del siglo pasado se realizaron intentos de producir lignina pura en las fábricas de pulpa y papel. Hoy en día, dentro de las prioridades del sector forestal europeo para el año 2030, se encuentra la de llevar hasta su pleno potencial a los procesos de biorrefino aprovechando la experiencia ya acumulada.

Algunas de las razones por la que las fábricas de pulpa y papel están bien posicionadas para ser las biorrefinerías del futuro son las siguientes ¹:

• Las compañías del sector forestal ya tienen implementados los sistemas adecuados para cultivar, transportar y procesar la biomasa de manera eficaz. Las fabricas suelen estar localizadas cerca de fuentes abundantes de biomasa y tener las infraestructuras necesarias para el transporte del producto finalizado. Por tanto, puede afirmarse que los aspectos logísticos están ya bien cubiertos de partida.
• Las fábricas de pulpa y papel están muy familiarizadas con la producción de energía a partir biomasa. Actualmente, muchas de ellas son capaces de autoabastecerse de manera parcial o total a partir de residuos de la madera y licores gastados.
• Las empresas del sector disponen de una fuerza de trabajo bien entrenada en aspectos operacionales y de mantenimiento relacionados con la producción de energía y los sistemas de biorrefino.

Existen múltiples rutas y combinaciones de procesos asociados al concepto de biorrefinería integrada que pueden ser implementados en las fábricas de pulpa y papel (véase un posible modelo en la Figura 1). A continuación, se van a describir algunos de los procesos más representativos.

Figura 1. Ejemplo de procesos y productos asociados al concepto de biorrefinería que pueden ser implementados en una planta kraft (unidades convencionales en negro). Figura extraída de la referencia bibliográfica 2.

Extracción de hemicelulosas ^2,3,4,5

Las hemicelulosas son azúcares macromoleculares a partir de las cuales se puede producir un amplio rango de productos de alto valor añadido (etanol, butanol, xilitol, ácido láctico,...). En una planta kraft convencional, la mayor parte de las hemicelulosas acaban en licor negro y pueden ser extraídas de él mediante tratamiento térmico o ultrafiltración. Este proceso ha suscitado mucho interés, sobre todo, cuando interesa obtener lignina a partir del licor negro ya que un bajo contenido en hemicelulosas en este fluido facilitaría la extracción de la lignina e incrementaría la pureza del producto final.

Las hemicelulosas también pueden extraerse parcialmente antes del proceso de pulpeo a través de métodos como la hidrólisis ácida o la extracción con agua caliente, entre otros. El producto extraído puede ser fermentado para obtener etanol. Los principales desafíos para que este proceso alcance la comercialización son encontrar técnicas para lograr la fermentación efectiva de las pentosas (principal azúcar en las hemicelulosas) a gran escala así como elevar la concentación de los productos diluidos.

Aunque pueda parecer una ruta prometedora para obtener etanol como biocombustible, las cantidades que se obtendrían en una planta de papel probablemente no serían lo suficientemente elevadas para que sea rentable. Por ello, el empleo posterior del etanol para producir productos químicos verdes de alto valor añadido podría ser una opción más atractiva. Otras posibles aplicaciones de las hemicelulosas son las siguientes: funcionalización de fibras, barreras de gas e hidrogeles.

Precipitación de lignina ^2,3,4,6

Cuando se produce la precipitación de lignina, la producción de vapor en la caldera de recuperación se reduce debido al descenso del contenido orgánico del licor negro. Debido a ello, se ha empleado a pequeña escala para reducir el cuello de botella que puede llegar a aparecer en la caldera de recuperación. Pero, también puede ser implementada a gran escala para obtener cantidades significativas de lignina. Dicho producto puede ser utilizada tanto en la propia fábrica reemplazando al “fuel oil” de origen fósil en el horno de cal, como externamente en plantas de cogeneración. También puede ser usada como materia prima para la producción de productos químicos y materiales (dispersantes, fibras, ligantes,...). En estos casos, es importante conseguir una lignina pura y seca. No sólo por razones relacionadas con la combustión sino también para conseguir que sea estable durante las operaciones de transporte y almacenamiento.

Gasificación del licor negro ^2,3,7,8

La gasificación del licor negro es una tecnología que se está desarrollando como una alternativa a la recuperación química y energética que se lleva a cabo en las plantas papeleras tradicionales. En el proceso de gasificación, la mayor parte del contenido orgánico en el licor negro se transforma en gas de síntesis y los productos químicos de pulpeo se recuperan y se retornan al proceso de manera similar a la convencional. El “syngas” puede ser utilizado como materia prima para la producción de biocombustibles (DME, metanol, combustibles Fisher-Tropsch o hidrógeno) o como combustible para la generación de electricidad en una unidad de ciclo combinado. La eliminación del alquitrán y las especificaciones de limpieza del gas de síntesis son las principales barreras técnicas a superar por el proceso.

Hoy en día hay muy pocas plantas con este proceso operando o en fase de planificación. Las dos principales tecnologías son las comercializadas por Chemrec AB y ThermoChem Recovery International (TRI). La primera se ha desarrollado para trabajar en condiciones de presión elevada, a alta temperatura (950–1000ºC) y en un gasificador de flujo de arrastre con soplado de oxígeno. La segunda está basada en un proceso de gasificación a baja temperatura (~600ºC) con vapor en un lecho fluidizado burbujeante. La tecnología presurizada permite trabajar con unidades más pequeñas pero presenta problemas relacionados con la corrosión provocada por la agresividad del ambiente. La gran desventaja de la tecnología que trabaja a presión atmosférica es que produce un gas con menor poder calorífico.

REFERENCIAS

¹ E. Connor: “The Pathway to our Bio-Future”. Paper Age, Marzo/Abril 2007.

² “Systems Perspectives on Biorefineries”. Edited by Björn Sandén and Karin Pettersson, Publisher: Chalmers University of Technology, Göteborg 2013.

³ U.Wising, P. Stuart: “Identifying the Canadian forest biorefinery”. 107:6 (2006), Pulp & Paper Canadá.

⁴ K. Niemelä: “Biorefining opportunities in the pulp and paper industry”. 5Th European Biorefinery Symposium, Flensburg, April 9-11, 2008.

⁵ C. Hoffstedt: “Biorefinery within the pulp and paper sector”. Birmingham, December 2, 2009

⁶ P.C. Santos, B. Demuner: “Biorefinery and the Pulp and Paper Industry”. November 2010.

⁷ G.D.A Sousa: “Biorefinery development pathways: A survey for the pulp and paper industry”. XXI Encontro Nacional da TECNICELPA / VI CIADICYP 2010, 12-15 Outubro 2010 - Lisboa, Portugal.

⁸ K. Pettersson: “Black Liquor Gasification-Based Biorefineries – Determining Factors for Economic Performance and CO2 Emission Balances”. Thesis, Heat and Power Technology, Department of Energy and Environment, Chalmers University of Technology, Göteborg. 2011.