evolucion de las plantas de biogas agroindustrial hacia nuevos modelos basados en el concepto de...

Evolución de las plantas debiogás agroindustrial hacia nuevosmodelos basados en el concepto

de biorefinería

La digestión anaerobia está

llamada a convertirse en

una tecnología de gran im-

portancia para el desarrollo

de las futuras biorefinerías. Ya se

emplea como tecnología auxiliar

para valorizar corrientes residua-

les, pero debe potenciarse su uso

como tecnología principal. El reto

es replantear las plantas de bio-

gás actuales ampliando su gama

de productos finales yendo mu-

cho más allá de la venta de la

electricidad. Las empresas deben

apostar por la innovación desa-

rrollando el potencial de nuevas

plataformas como la de los ácidos

grasos volátiles, biogás y digeri-

do, que permitirán en el futuro ob-

tener desde bioplásticos y “com-

modities” químicas, a biomasas

de alto valor como las microalgas.

Es el momento de hacerlo. La

Unión Europea ha decidido utili-

zar las biorefinerías como instru-

mento clave en su objetivo de de-

sarrollar una nueva bioeconomía

para desplazar a la economía ba-

sada en el petróleo y ofrece mu-

chas posibilidades para financiar

proyectos demostrativos. El pro-

yecto de biorefinería CLAMBER

en Castilla-LaMancha es el refe-

rente en España y ofrece una gran

oportunidad para validar nuevos

modelos de biorefinería, como por

ejemplo, el desarrollando por AI-

NIA a partir de deyecciones gana-

deras. El presente artículo revisa

el concepto de biorefinería, anali-

za el potencial y las oportunidades

que ofrece la digestión anaerobia

en el contexto de estas instalacio-

nes, y por último, explica nuestra

propuesta de biorefinería para de-

yecciones ganaderas.

EL CONCEPTO DEBIOREFINERÍA

La biomasa es la materia prima

de una biorefinería del mismo mo-

do que el petróleo es la de una re-

finería tradicional. Por biomasa se

entiende desde cultivos tradicio-

nales hasta microalgas pasando

por residuos orgánicos de origen

agrícola, ganadero, forestal, in-

dustrial o urbano. Las biorefinerí-

as se caracterizan por transformar

34 Especial BIOENERGÍA 2015RETEMA I www.retema.es I

Andrés Pascual, Leticia Regueiro, Gracia SilvestreDepartamento de Medio Ambiente, Bioenergía e Higiene Industrial

Ainia Centro Tecnológico I www.ainia.es

EVOLUCIÓN DE LAS PLANTAS DE BIOGÁS HACIA EL MODELO DE BIOREFINERÍA

la biomasa en varios productos finales

incluyendo bioenergía en forma de

electricidad y/o calor, o biocombusti-

bles sólidos, líquidos como el biodiesel

o el bioetanol, y gaseosos como el bio-

gás. Otros productos son alimentos,

piensos, fertilizantes y los bioproductos

o “bio-based products” que son la ver-

sión de origen “bio” de numerosos pro-

ductos de consumo o materiales de ori-

gen fósil: bioplásticos, biopinturas,

bioadhesivos, biolubricantes, etc. Tam-

bién se obtienen compuestos sencillos

denominados bioquímicos o “biochemi-

cals” que bien se venden como “com-

modities” químicas a otras industrias, o

se emplean internamente como ladri-

llos químicos o “building blocks” para

ser transformados en bioproductos.

Los productos finales de las biorefinerí-

as pueden bien sustituir a productos ya

existentes en el mercado, generalmen-

te de origen fósil, o bien convertirse en

nuevos incorporando funcionalidades

diferentes o mejoradas.

Para conseguir esta amplia gama de

productos las biorefinerías integran en

una misma instalación distintos proce-

sos que pueden ser físicos, químicos,

termo-químicos o biotecnológicos. Los

productos intermedios que se generan

tras las trasformaciones primarias de la

biomasa, se denominan “plataformas” a

partir de las cuales se aplican procesos

de transformación o refinado secunda-

rios hasta alcanzar los productos fina-

les. Ejemplos de plataformas son mez-

clas de azúcares C5 y C6, lignina, fi-

bras, proteínas, aceites y lípidos, bio-

gas, gas de síntesis (syngas). Estos

productos intermedios que se producen

en los procesos primarios de biorrefine-

ría, seguirán siendo procesados en la

biorrefinería hasta obtener los productos

finales (bioenergía y bioproductos).

Por ejemplo, una biomasa rica en he-

micelulosa se transforma mediante hi-

drólisis en una plataforma de azúcares

C5 y C6 que a continuación se procesan

hasta la obtención de sorbitol y furfural.

Aproximadamente, cada año se produ-

ce 1 millón de

toneladas de sorbitol como ingrediente

alimentario, ingrediente para pasta de

dientes, y para usos industriales. La ta-

bla 2 muestra algunos ejemplos de bio-

refinería que ya operan en la UE.

Existen muchos tipos de biomasas y

combinaciones posibles con platafor-

mas y productos finales siendo la flexibi-

lidad de una biorefinería una caracterís-

tica clave para poder incorporar nuevos

procesos en instalaciones existentes.

El concepto de biorrefinería lleva

asociado obtener productos con un

elevado grado de sostenibilidad medio-

ambiental y socio-económica por lo


35Especial BIOENERGÍA 2015I www.retema.es I RETEMA

Tabla 1. Productos finales de una biorefinería

Bioenergía Bioproductos (“bio-based products”)

• Electricidad• Calor• Biocombustibles:

- Sólidos: pellets y otros.- Líquidos:

bioetanolbiodieselbiobutanoljet-fuel

- Gas:syngasbiogasbiometanobiohidrógenoCO2

• Alimentos. • Piensos. • Fertilizantes. • Productos químicos:

biolubricantes, biopinturas, biorecubrimientos, bio-resinas, bioadhesivos, etc.• Biomateriales:

bioplásticos, biopolímeros, biocomposites, caucho,etc.• Compuestos bioquímicos (“biochemicals”):

carbohidratos , polifenoles, ácidos carboxílicos,esteres y ácidos grasos, proteínas, etc.

Tabla 2. Algunos ejemplos de biorefinerías en la UE

Biorefinería Pöls(Austria)

Lestrem(Francia)

Caserta(Italia)

Pischelsdorf (Austria)

Biomasa Madera

TrigoPatataMaízPera

Biomasas lig-nocelulósicas Cereales

Plataformas Pasta.Licor negro Almidón Azúcares C5-

C6 Almidón

Azúcares C5-C6

Productosfinales

Papel y pasta de papel.Tall oil

Aceite de trementinaElectricidad

Calor

AlimentosPiensos

Acido succínicoBioEtanol

Acido levulíni-co

AlmidónGluten

BioetanolCO2

Fuente: BioRefineries Blog

que es imprescindible garantizar una

adecuada eco-eficiencia en la propia

planta transformadora así como plante-

amientos que integren toda la cadena

de valor.

BIOREFINERÍAS QUEINCORPORAN LA DIGESTIÓNANAEROBIA EN SUSPROCESOS COMOTECNOLOGÍA AUXILIAR

La presencia de la tecnología de di-

gestión anaerobia en las biorefinerías

que actualmente se encuentran en fun-

cionamiento en la UE se limita a la valo-

rización de corrientes residuales líqui-

das y sólidas procedentes de los

procesos de transformación de la bio-

masa. Como se muestra en la tabla 3,

dichas biorefinerías están especializa-

das en la producción de biocombusti-

bles líquidos, y sobre todo, de bioetanol.

BIOREFINERÍAS BASADAS ENDIGESTIÓN ANAEROBIA COMOTECNOLOGÍA PRINCIPAL DETRANSFORMACIÓN DE LABIOMASA

Existen miles de instalaciones en to-

da la UE que transforman deyecciones

ganaderas con cultivos como el maíz, o

con diversos tipos de residuos orgáni-

cos agroalimentarios. Estas plantas

producen biogás, que a su vez es trans-

formado en motores de co-generación

en calor y electricidad, y digerido, apro-

vechado como fertilizante. Aunque no

se denominan “biorefinerías” se podría

decir que estas plantas son biorefinerí-

as simples. El reto consiste en evolucio-

nar las plantas actuales hacia modelos

más complejos optimizando los proce-

sos de digestión anaerobia, desarro-

llando nuevas plataformas y ampliando

el número de productos finales.

Plataforma de ÁcidosGrasos Volátiles (AGVs)

Los ácidos grasos volátiles o AGVs

(acético, propiónico, butírico, ...) son

compuestos intermedios de la digestión

anaerobia que recuperados tienen valor

como commodities químicas. Podemos

producir una corriente líquida rica en

AGVs a través de la optimización de las

primeras dos fases de la digestión anae-

robia, es decir, la hidrólisis y la acidifica-

ción. El proceso de recuperación es cla-

ve en la viabilidad de esta alternativa.

Generalmente se aplica un proceso de

filtración o centrifugación para la elimi-

nación de partículas, y a continuación,

cabe emplear diversas técnicas como

por ejemplo: precipitación con reactivos

químicos, destilación, adsorción, mem-

branas de nanofiltración y ósmosis in-

versa, electrodiálisis o extracción con di-

solventes, entre otras.

Bioplásticos

Los ácidos grasos volátiles produci-

dos en la digestión anaeróbica son

substratos adecuados para la produc-

ción de polihidroxialcanoatos (PHAs),

es decir, bioplásticos. Hay muchas co-

munidades microbianas presentes por

ejemplo en lodos de depuradora que

poseen la capacidad de transformar los

AGVs en PHAs. Los PHAs forman grá-

nulos dentro del citoplasma bacteriano

(se van acumulando como reserva de

carbono) y pueden ser extraídos para la

producción de bioplásticos. El proceso

de obtención de PHA a partir de cultivos

mixtos se realiza en reactores aerobios

y se basa en la acumulación de los

PHA mediante dos etapas de proceso:

etapa de enriquecimiento y etapa de



Tabla 3. Biorefinerías que incorporan la digestión anaerobia en sus procesos como tecnología auxiliar

Biorefinería Schwedt(Alemania)

Sarpsborg(Noruega)

Greenmills Puerto de

Amsterdam(Holanda)

Zörbig(Alemania)

Biomasa Centeno Cultivos o residuoslignocelulósicos

Aceites usados yotros residuos

orgánicos

CentenoTriticale

Trigo

Plataformas AlmidónAzúcares

Azúcares C5-C6 LigninaBiogás

Aceite AlmidónAzúcares

Productosfinales

BioetanolBiogás

Fertilizantes orgánicos

BioetanolLignina

Celulosa VanilinaBiogás

BiodieselBioetanolBiogás

Fertilizantes

BioetanolBiogás

Fertilizantes

Fuente: BioRefineries Blog

acumulación. La producción de polihi-

droxialcanoatos a escala industrial utili-

za sustratos puros como glucosa, fruc-

tosa, sacarosa y ácido propiónico, así

como cultivos puros que encarecen mu-

cho el proceso. Por lo tanto, una mane-

ra de reducir su coste de producción, es

empleando fuentes de carbono más

económicas como los residuos orgáni-

cos típicamente valorizados mediante

digestión anaerobia, y cultivos mixtos.

Acidos Grasos de CadenaMedia (AGCM)

Los AGVs se pueden transformar en

Acidos Grasos de Cadena Media para

aprovechar que los ácidos con cadenas

más largas tienen aplicaciones de ma-

yor valor añadido que los AGVs, inclu-

yendo biopinturas, bioplásticos y biolu-

bricantes. Los AGCM son ácidos

monocarboxílicos saturados lineales

con 6-8 átomos de carbono a diferencia

de los AGVs más cortos. Los AGCM se

pueden obtener a partir de los ácidos

grasos volátiles (AGV) en presencia de

etanol y Clostridium kluyveri en un pro-

ceso conocido como β-oxidación inver-

sa o “elongación de cadena”.

El ácido n-capróico es un AGCM que

puede ser fácilmente convertido en bio-

carburante líquido con elevada capaci-

dad energética, lo que le confiere un al-

to valor económico. Además, el ácido

n-capróico también podría tener otros

usos como para alimentación animal,

antimicrobiano o como substrato para

esterificación en alimentación humana.

Bioalcoholes

Los AGVs se pueden recuperar me-

diante precipitación química y cristaliza-

ción en forma de sales de carboxilatos. A

partir de estas sales y mediante un pro-

ceso termoquímico es posible producir

biocombustibles líquidos (bioalcoholes)

con un valor económico mucho mayor al

del metano, y de ahí su creciente interés.


37Especial BIOENERGÍA 2015I www.retema.es I RETEMA

Plataforma de biogas

El biogas es una mezcla de metano,

CO2, y otros gases minoritarios. Tras

procesos de depuración y enriqueci-

miento mediante diveras técnicas

(scrubbing, PSA, aminas, membranas,

criogenización, etc.) podemos obtener

biometano para uso como biocarburan-

te en vehículos o para su inyección en

redes de gas. Algunas de las técnicas

de recuperación del metano del biogás

permiten separar también el CO2 para

distintos usos industriales como por

ejemplo las plantas de producción de

bebidas refrescantes o la producción

de microalgas. El CO2 también puede

reaccionar con biohidrógeno proceden-

te de fuentes renovables (electrolisis

del agua a partir de fotovoltaica o eóli-

ca), y producir un volumen de biometa-

no extra mediante procesos de catáli-

sis química o biológica. Por último, el

metano puede ser empleado como re-

activo en procesos catalíticos que tie-

nen por objeto la obtención de com-

puestos bioquímicos como por ejemplo

el metanol. Son muchos los productos

que se preparan a partir de metanol co-

mo materia prima, o que necesitan de

este alcohol como disolvente de reac-

ción. Otra alternativa es la producción

der propionato de etilo, utilizable en

procesos industriales. Todavía queda

mucho que investigar en el campo de

la química del metano para hacerlo

más reactivo, y de modo económica-

mente favorable.

Plataforma de digerido

Nutrientes

Los digeridos procedentes de la di-

gestión anaerobia son licores ricos en

nutrientes, especialmente nitrógeno y

fósforo, así como materia orgánica. La

recuperación de nutrientes ya no es tan

solo una cuestión de evitar contamina-

ción medioambiental allá donde se ge-

neren excedentes, también es una prio-

ridad para conseguir una mayor

eficiencia en el uso de los recursos en el

marco de modelos de economía circu-

lar. A través de técnicas de stripping y

absorción se puede recuperar nitrógeno

en forma de sulfato amónico procedente

de la fracción líquida de los digeridos.

También se puede recupera fósforo me-

diante la precipitación de estruvita.

Microalgas

Las microalgas son microorganismos

que en presencia de luz y CO2 pueden

fijar nutrientes en forma de biomasa va-

lorizable tanto para fines energéticos

como para ingredientes o productos pa-

ra biofertilizantes, acuicultura, ganade-

ría, animales de compañía, etc. Se trata

en definitiva de aprovechar el digerido

líquido como medio de cultivo de bajo

coste. Los biofertilizantes a base de mi-

croalgas ya están siendo comercializa-

dos y obteniendo buenos resultados

económicos.

INNOVACIÓN PARA ELDESARROLLO DEBIOREFINERÍAS. EL EJEMPLODEL PROYECTO CLAMBER ENCASTILLA-LAMANCHA.

Castilla-La Mancha está desarrollan-

do actualmente el Proyecto “Castilla-La

Mancha Bio-Economy Region” (Proyec-

to CLAMBER), que sienta las bases pa-

ra convertir a esta región en el referente

del sur de Europa dentro de la investiga-

ción relacionada con el aprovechamien-

to de la biomasa, teniendo en cuenta

que es un gran productor de la misma.

Dispone de un presupuesto de 20 M€

aportados por el Ministerio de Economía

y Competitividad y por la Junta de Co-

munidades de Castilla-La Mancha y es-

tá cofinanciado con Fondos FEDER.

El proyecto consta de dos actuacio-

nes diferentes pero complementarias.

Por un lado, la construcción de un Cen-

tro de Investigación, en el que se alber-

gará una biorrefinería a escala planta

piloto modular, versátil y con procesos

innovadores donde las empresas que lo

deseen puedan realizar sus experimen-

tos a una escala más cercana a la reali-

dad y donde el personal pueda formar-

se con competencias adecuadas a los

nuevos requerimientos de la industria

de base biológica. Por otro, la realiza-

ción de proyectos de I+D encaminados



a la óptima selección de materias pri-

mas, a la mejora o desarrollo de nuevos

bioprocesos, al desarrollo de nuevos

productos y a la investigación socioeco-

nómica, nuevos modelos de negocio,

logística y otros retos tecnológicos.

AINIA Centro Tecnológico está desa-

rrollando tres proyectos de I+D relacio-

nados con tres tipos de biomasa: resi-

duos ganaderos, lodos de EDAR y

residuos vinícolas. Los proyectos tie-

nen prevista su finalización en Diciem-

bre de 2015.

El modelo de biorefineríagenérico Clamber-G a partirde un mix de deyeccionesganaderas.

El modelo genérico de biorrefinería

de deyecciones ganaderas desarrolla-

do por AINIA en el marco del proyecto

Clamber se aplica a un entorno rural

con numerosas explotaciones ganade-

ras de diversas especies animales

(porcino, bovino, avícola,..), y rodeadas

de explotaciones agrícolas. El modelo

toma en consideración toda la cadena

de valor, desde el aprovisionamiento

de los residuos ganaderos hasta la dis-

tribución de los bioproductos. En la

planta de valorización, los residuos ga-

naderos se podrían llegar a transfor-

mar en biocombustibles: biogás, biohi-

drógeno y/o biometano, y varios

bioproductos: sales de carboxilatos,

fertilizantes granulados o biomasa mi-

croalgal para piensos.

Partiendo de este modelo genérico

de biorefinería, los resultados del pro-

yecto determinarán cual es la versión

más sostenible en el entorno de Casti-

lla-La Mancha concretando tipo, canti-

dad y proporción de residuos ganade-

ros, procesos de biorefinado y

bioproductos finales a obtener emplear.

El modelo también se podría adaptar a

otras regiones de España variando sus

especificaciones como consecuencia

de las diferencias del entorno y merca-

do potencial de los bioproductos.

Descripción del modelogenérico Clamber-G:

Los Centros de Acondicionado y

Transferencia (CATs) permitirán optimi-

zar los costes de transporte para hacer

más sostenible el proceso aprovisiona-

miento del residuo ganadero. Cabe re-

cordar que los residuos ganaderos tie-

nen un elevado contenido en agua. Las

CAT son unidades de almacenamiento

temporal y/o acondicionado (filtración,

concentración, control de calidad, ..)

previo al transporte a la planta.

En el proyecto Clamber-G incorpora

una digestión anaerobia con separa-

ción de fases orientada a la producción

de AGVs o “carboxilatos”. La ventaja

de este sistema es la no dependencia

de inóculos y se basa en la experiencia

previa de AINIA a través de proyectos

como DianaH2 sobre digestión en 2 fa-

ses o AD-WISE sobre control on-line de

AGVs. La fases de la digestión se sepa-

rarían en dos digestores diferentes. Así,

la hidrólisis y acidogénesis ocurren en

el primer digestor, y la metanogénesis

(producción de metano) en el segundo.

Una innovación destacada de la pro-

puesta Clamber-G es la de utilizar par-

te del caldo de fermentación del reactor

hidrolítico (fase 1 de la digestión) para

un proceso de downstream o recupera-

ción de sales de carboxilato mediante

reacción química, concentración y cris-

talización de sales de carboxilatos.

En la segunda fase de la digestión

anaerobia se genera un digestato rico

en nitrógeno y fósforo al que se le aplica

un proceso de separación sólido-líqui-

do. Con la fracción sólida se desea ob-


tener fertilizantes granulados mediante

la tecnología spouted bed drying. Con la

fracción líquida se adaptarán procesos

de stripping y precipitación de estruvita

para la recuperación de nutrientes que

se emplearían para enriquecer la pro-

ducción de fertilizantes granulados, para

el cultivo de microalgas o para su venta

como fertilizante. El objetivo es recupe-

rar el 100% de los nutrientes.

El biogás obtenido en la primera fase

es un gas rico en biohidrógeno mientras

que el gas del segundo reactor es simi-

lar al biogas convencional. Las dos co-

rrientes podrían ser valorizadas energé-

ticamente juntas o por separado siendo

un resultado del propio proyecto deter-

minar lo más adecuado. El biogas rico

en biohidrógeno obtenido en el primer

biorreactor se podrá emplear mezclado

con el biogás del segundo biorreactor,

incrementando su valor energético, o

por separado como combustible en pi-

las de hidrógeno para producir calor y

electricidad. El biogás obtenido en la

segunda fase podría ser empleado de

forma tradicional directamente para ob-

tener calor y electricidad en un motor de

co-generación. El calor se aprovecharía

tanto en el calentamiento del digestor

como en el postratamiento del digestato

u obtención de sales de ácidos carboxí-

licos. La electricidad producida podría

ser auto-consumida o volcada a la red o

micro-red eléctrica a la que esté conec-

tada la biorrefinería Clumber.

Como complemento o alternativa a la

cogeneración de calor y electricidad se

plantea un posible proceso de depura-

ción de gases contaminantes y enrique-

cimiento, obteniendo dos corrientes, por

un lado biometano para uso en vehícu-

los agrícolas (tractores, pequeños ca-

miones, ..), o inyección en redes de gas,

y por otra CO2 biogénico para múltiples

usos como la bioproducción de microal-

gas, reacción en procesos químicos de

la biorrefinería, o para su licuado y uso

como ingrediente en bebidas carbonata-

das y otros usos alimentarios.

Por último, se plantea integrar una

etapa de bioproducción de microalgas

en sistema abierto raceway con lámina

fina, a partir de del digestato líquido pro-

cedente del digestor secundario rico en

nutrientes. También se consideraría el

uso del CO2 residual de la línea de enri-

quecimiento de biogás a biometano. La

biomasa microalga obtenida se estabili-

zara como producto suplementario en la

formulación de piensos o para emplear-

lo en la producción de biofertilizantes.



Figura 1. Modelo genérico de biorefinería Clamber-G para residuos ganaderos

Figura 2. Diagrama de flujo biorrefinería genérica CLUMBER-G de residuos ganaderos

evolucion de las plantas de biogas agroindustrial hacia nuevos modelos basados en el concepto de...

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