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lunes, 15 de enero de 2018

Perfil: Proyecto WALEVA – Demostrando la producción de ácido levulínico a partir de paja de arroz



Tipo de entrada: PERFIL DE PROYECTO.

Técnicas Reunidas (TR) es una multinacional española conocida a nivel mundial por ser un contratista general que se dedica a la ingeniería, diseño y construcción de todo tipo de instalaciones industriales para un amplio espectro de clientes, principalmente, empresas del sector del petróleo y del gas. Lo que no es tan sabido, incluso en España, es que TR cuenta con unas instalaciones en las que desarrolla nuevas tecnologías para diferentes campos: el Centro Tecnológico José Lladó. Allí, sin lugar a dudas, la estrella es la hidrometalurgia. A lo largo de más de 40 años, la División de Desarrollo de Tecnologías Propias (DDTP) ha consolidado un conjunto de tecnologías propias para la recuperación de metales.

Figura 1. Centro Tecnológico José Lladó (cortesía de TR)

También hay espacio para procesos de biorrefino: la obtención de ácido levulínico a partir de residuos, la valorización de la lignina o la producción de biobutanol. En relación con la primera de ellas, TR ha coordinado el proyecto WALEVA que ha sido financiado por el Programa LIFE de la Comisión Europea. A finales del año pasado, el Dr. Vicente López (Responsable del proyecto) tuvo la gentileza de explicarme los detalles de esta interesante iniciativa y de enseñarme la planta piloto que fue instalada para demostrar el proceso en continuo. En esta entrada, vamos a conocer a fondo el proyecto.

El reto y la solución planteada

España es el segundo país de la Unión Europea en producción de arroz. Según podemos leer en la página web del proyecto WALEVA, España cuenta con, aproximadamente, 105.000 hectáreas de terreno destinado al cultivo de arroz, lo que supone cada año 577.000 toneladas de paja de arroz. Si ampliamos el alcance, la producción de arroz en Europa superó los 3 millones de toneladas en 2012. Teniendo en cuenta una media de 0,8 toneladas de paja por cada tonelada de arroz, ese año se generaron 2,4 millones de toneladas de residuos. Las dos principales técnicas que se emplean para gestionar este residuo (la quema y el fangueado) suponen un verdadero problema ambiental. Por ejemplo, la quema de la cantidad íntegra generada en 2012, equivaldría a 4,1 millones de toneladas de CO2 emitidas a la atmósfera (1,7 kg de CO2 por cada kilo de paja). En la entrada que dediqué al proyecto SostRice (Proyecto SostRice – Buscando un modelo sostenible para la gestión de la paja de arroz, 2/3/2016) trato este tema con mayor profusión así que no me voy a extender más aquí.

El consorcio del proyecto WALEVA propuso una solución para este problema soportada sobre los principios de la bioeconomía circular. Su estrategia pasaba por allanar el camino para el desarrollo de una nueva cadena de valor basada en un producto de alto valor añadido: el ácido levulínico (LEVA). Esta molécula es una plataforma muy versátil cuyos derivados tienen potencial en múltiples aplicaciones: aditivos de combustibles, disolventes, polímeros y plastificantes, resinas y recubrimientos… (véase más información sobre este compuesto en “Biorrefinerías de ácido levulínico”). Así, mediante la transformación de la paja de arroz en ácido levulínico, se reduciría el uso de materias primas y recursos energéticos para producir bienes al tiempo que se conseguiría una solución sostenible para la gestión del residuo.

El proyecto

Los datos generales del proyecto se resumen en la siguiente tabla:
Nombre
WALEVA - From Whatever Residue into Levulinic Acid: an innovative way to turn waste into resource.
Objetivo
Demostrar la viabilidad del proceso de producción desarrollado por TR para generar ácido levulínico, procedente de diferentes tipos de residuos lignocelulósicos o de materias primas con un contenido de, al menos, el 30-40% de celulosa.
Convocatoria
LIFE
Referencia
LIFE13 ENV/ES/001165
Consorcio
Coordinador: Técnicas Reunidas.
Socios:
Duración
Desde 6/2014 hasta 9/2017.
Presupuesto total
1.633.680 €
Contribución de la UE
816.839 €

Las seis acciones principales que se llevaron a cabo para conseguir el objetivo general son las siguientes:
1. Recogida y tratamiento del residuo de paja de arroz.
2. Diseño y construcción de un módulo de almacenaje.
3. Diseño de la planta piloto.
4. Construcción de la planta piloto.
5. Demostración en la planta piloto.
6. Estudios de viabilidad económica, energética y medioambiental.

Durante los primeros meses del proyecto, se llevó a cabo la primera actividad centrada en la optimización de las tareas de recogida de la paja de arroz. Para ello, se contó con el respaldo de la Asociación de agricultores de Don Benito y Comarca, principal zona de producción de arroz en Extremadura. Las posteriores acciones ya se enfocaron en el  núcleo del proyecto: la demostración de la tecnología desarrollada por TR para producir LEVA a partir de materiales lignocelulósicos en una planta piloto construida en el Centro Tecnológico José Lladó.

El proceso WALEVA y la planta piloto

El proceso de producción consta de las siguientes etapas:
1. Pretratamiento
Un pretratamiento físico (mecánico) y químico (ataque ácido) del residuo de la paja de arroz lo prepara para su posterior hidrólisis ácida asegurando que los rendimientos alcanzan los valores deseados. La selección de un tamaño de partícula adecuado es fundamental. Por ello, durante el desarrollo del proyecto, se probaron diferentes tipos de molinos. En esta etapa, se persigue, además, reducir la cantidad de posibles impurezas.
2. Producción y purificación de LEVA
2.1 El sólido generado en la etapa anterior se trata mediante hidrólisis ácida con controles exhaustivos de presión y temperatura. La hidrólisis busca la ruptura selectiva de la fracción celulósica para generar unidades aisladas de glucosa. Así, por conversión posterior en el mismo medio acuoso y gracias a un proceso de deshidratación y posterior rehidratación, se obtiene una mezcla de LEVA y ácido fórmico (FA). Al filtrar la mezcla final, se generan una solución líquida rica en ácido levulínico y un “biochar” que puede ser utilizado en varias aplicaciones.
2.2 El LEVA obtenido durante la hidrólisis ácida se enfría y se purifica en varias etapas para alcanzar un producto final de entre 90% y 95% de pureza.

Figura 2. Esquema básico del proceso WALEVA (cortesía de TR)

La planta piloto se construyó durante los años 2015 y 2016 y las pruebas de demostración con paja de arroz se llevaron a cabo en el año 2017. Los resultados obtenidos se muestran debajo:
Capacidad de procesado
500 kg de paja de arroz por mes (700 g de paja arroz por hora).
370 kg de paja de arroz durante la campaña de ensayos.
Capacidad de producción
150 g de LEVA por hora.
Caudales de trabajo
3 – 4 l/h.
Tiempo de operación
600 horas (5 semanas, 5 días a la semana, 24 horas al día).
Rendimiento
16% – 18%.

 
Figura 3. Izquierda: LEVA / Derecha: Paja de arroz, paja de arroz molida, sólido pretratado y biochar (cortesía de TR)

Estudio de viabilidad y planes de futuro

Con los datos obtenidos en la fase de demostración, se procedió a estudiar la viabilidad energética, ambiental y económica del proceso. Considerando Valencia como posible ubicación y la paja generada por las industrias arroceras de Valencia y Andalucía (624.000 toneladas), se podrían obtener alrededor de 83.000 kg de LEVA y se conseguiría una reducción de la huella de carbono del 80% respecto a la quema del residuo. Teniendo en cuenta un precio de entre 1,5 €/kg – 2 €/kg de LEVA, el tiempo de retorno de la inversión rondaría los 4 – 5 años.

Por tanto, este análisis preliminar arroja unos resultados que permiten ser optimistas. En este punto, TR está estudiando la manera de escalar el proceso hasta un nivel precomercial y buscando colaboradores que puedan desarrollar aplicaciones para su LEVA.

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