ESTUDIO DE LA LICUEFACCIÓN HIDROTÉRMICA DE BIOMASA ALGAL PARA LA PRODUCCIÓN DE BIOCRUDO Y DIMENSIONAMIENTO DE UNA PLANTA PILOTO PARA LA LHT DE LA BIOMASA ALGAL SELECCIONADA

Abstract

En la actualidad, el desarrollo de nuevas tecnologías que puedan sustituir las fuentes convencionales de energías provenientes de combustibles fósiles son de vital importancia para evolucionar en un sistema de producción sostenible basado en una mejor gestión de los recursos disponibles, como es el caso del modelo de Economía Circular. Una opción es la revalorización de residuos orgánicos en materia prima mediante un tratamiento térmico. Así, la licuefacción hidrotérmica (LHT) objeto de este trabajo, es una tecnología que provoca una reacción en medio acuoso a temperaturas y presiones elevadas por debajo del punto crítico del agua en la que se produce biocrudo a partir de materia orgánica. Entre la multitud de alternativas para emplear como materia orgánica, la biomasa algal se puede obtener en gran cantidad, ya sea directamente del medio o cultivadas en biorreactores y estaciones de biorremediación. Se plantean dos tipos de biomasa algal. Por una parte, especies invasoras de macroalgas, en concreto la especie Rugulopteryx okamurae, comúnmente conocida como alga asiática, presenta un problema medio ambiental en las costas del Mediterráneo debido a su crecimiento masivo que afectan a la vida marina autóctona. El otro tipo de biomasa algal a tratar es un consorcio de microalgas-bacterias proveniente del tratamiento biológico de un efluente cargado de nutrientes y materia orgánica generado por una instalación de acuicultura marina que produce lenguados. Existen varias variables que influyen en la LHT. El objetivo de la investigación es determinar la influencia de las variables principales como son la temperatura, la carga inicial de biomasa y el tiempo de reacción, sobre el rendimiento de obtención de biocrudo y su poder calorífico (PCS), para ambos tipos de biomasa algal. Todas las experiencias de LHT se han realizado a escala de laboratorio en un reactor discontinuo de tanque sin agitación, diseñado para trabajar a altas presiones y temperaturas con capacidad de 1 L. Se preparó en cada experimento 200 ml iniciales de una mezcla de algas con agua y se trabajó en ausencia de oxígeno. La extracción del biocrudo obtenido se realizó empleando diclorometano como disolvente orgánico. Se han llevado a cabo un total de 12 experimentos de LHT compuesto por 2 experimentos preliminares más 8 experimentos donde se estudió el consorcio microalgas-bacterias y 2 experimentos de macroalgas. En base a los estudios preliminares se descartó la influencia de la agitación como variable del proceso, se optimizó el procedimiento de las operaciones de separación y se seleccionó el disolvente usado en las extracciones, el diclorometano. En la presente memoria se ha comparado el rendimiento de biocrudo obtenido y su poder calorífico en los distintos experimentos realizados, en un rango de temperatura entre 240-300ºC, en un rango de carga inicial de biomasa entre el 5-15% p/p, y en un rango de tiempo de reacción entre 20-60 minutos. El mejor resultado de rendimiento de biocrudo (18,18%) se ha obtenido en el consorcio microalgas-bacterias a 270ºC, 40 minutos y 5% p/p; mientras que el mejor resultado de PCS (8871,3 cal/g) se ha obtenido en el consorcio microalgas-bacterias a 300ºC, 40 minutos y 10% p/p. Dado que se pudo llevar a cabo el estudio de la LHT del consorcio microalga-bacteria en mayor profundidad, se optó por llevar a cabo el diseño de un reactor a escala planta piloto para dicho residuo. Así, se ha diseñado un reactor para una capacidad de tratamiento anual de 200 kg de biomasa algal seca. La planta piloto de LHT dispone de un reactor que opera durante 240 días al año. El efluente del proceso se somete a filtración a vacío para separar la fase sólida de la fase líquida acuosa. La extracción del biocrudo de la fase sólida con diclorometano se realiza en un extractor sólido-líquido, mientras que el biocrudo de la fase líquida se separa mediante un extractor líquido-líquido con diclorometano. Una vez separados el extracto del refinado, ambos extractos son sometidos a una evaporación donde se obtiene el producto de interés, el biocrudo; y el diclorometano se recupera para posteriores extracciones. Las condiciones seleccionadas para llevar a cabo el proceso de LHT, y que por tanto han determinado el diseño del reactor son: carga inicial de biomasa algal del 15%, 270ºC de temperatura y 40 minutos de tiempo de reacción, alcanzando presiones de 6 MPa. El reactor diseñado es cilíndrico, tiene una capacidad de 12 L y está compuesto de un acero inoxidable austenítico (316L), teniendo un espesor de 28 mm. Para alcanzar la temperatura de operación, el reactor está rodeado de un horno eléctrico y para minimizar pérdidas de calor al exterior, éste se rodea de 60 mm de espesor de material aislante (lana de roca). Considerando el coste de otras unidades además del reactor, se ha estimado un presupuesto para la planta piloto de LHT de 518203,33€ y se situará en las instalaciones de Soleé Gourmet en la Bahía de Cádiz, San Fernando.

Currently, the development of new technologies that can replace conventional sources of energy from fossil fuels is of vital importance to evolve into a sustainable production system based on better management of available resources, as is the case of the Circular Economy. One option is the revaluation of organic waste into raw materials through thermal treatment. Thus, hydrothermal liquefaction (HTL), the object of this work, is a technology that causes a reaction in an aqueous medium at elevated temperatures and pressures below the critical point of water in which biocrude is produced from organic matter. Among the multitude of alternatives to use as organic matter, algal biomass can be obtained in large quantities, either directly from the environment or cultivated in bioreactors and bioremediation stations. Two types of algal biomass are proposed. On the one hand, invasive species of macroalgae, specifically the species Rugulopteryx okamurae, commonly known as Asian algae, present an environmental problem on the coasts of the Mediterranean due to their massive growth that affects native marine life. The other type of algal biomass to be treated is a microalgae-bacteria consortium from the biological treatment of an effluent loaded with nutrients and organic matter generated by a marine aquaculture facility that produces sole. There are several variables that influence HTL. The objective of the research is to determine the influence of the main variables such as temperature, initial biomass load and reaction time, on the yield of obtaining biocrude and its higher heating value (HHV), for both types of algal biomass. All HTL experiments have been carried out on a laboratory scale in a batch reactor with a non-stirred tank, designed to work at high pressures and temperatures with a capacity of 1 L. In each experiment, an initial 200 ml of a mixture of algae with water was prepared. and worked in the absence of oxygen. The extraction of the biocrude obtained was carried out using dichloromethane as an organic solvent. A total of 12 HTL experiments have been carried out, consisting of 2 preliminary experiments plus 8 experiments where the microalgae-bacteria consortium was studied and 2 macroalgae experiments. Based on the preliminary studies, the influence of agitation as a process variable was ruled out, the separation operations procedure was optimized and the solvent used in the extractions, dichloromethane, was selected. In this report, the yield of biocrude obtained and its higher heating value have been compared in the different experiments carried out, in a temperature range between 240-300ºC, in a range of initial biomass load between 5-15% w/w, and in a reaction time range between 20-60 minutes. The best biocrude yield result (18.18%) has been obtained in the microalgae-bacteria consortium at 270ºC, 40 minutes and 5% w/w; while the best HHV result (8871.3 cal/g) has been obtained in the microalgae-bacteria consortium at 300ºC, 40 minutes and 10% w/w. Given that the HTL study of the microalgae-bacteria consortium could be carried out in greater depth, it was decided to carry out the design of a pilot plant scale reactor for said waste. Thus, a reactor has been designed for an annual treatment capacity of 200 kg of dry algal biomass. The HTL pilot plant has a reactor that operates 240 days a year. The process effluent is subjected to vacuum filtration to separate the solid phase from the aqueous liquid phase. The extraction of the biocrude from the solid phase with dichloromethane is carried out in a solid-liquid extractor, while the biocrude from the liquid phase is separated by a liquid-liquid extractor with dichloromethane. Once the extract is separated from the refined, both extracts are subjected to evaporation where the product of interest, the biocrude, is obtained; and the dichloromethane is recovered for subsequent extractions. The conditions selected to carry out the HTL process, and which have therefore determined the design of the reactor are: initial load of 15% algal biomass, 270ºC temperature and 40 minutes of reaction time, reaching pressures of 6 MPa. The designed reactor is cylindrical, has a capacity of 12 L and is composed of austenitic stainless steel (316L), having a thickness of 28 mm. To reach the operating temperature, the reactor is surrounded by an electric furnace and to minimize heat losses to the outside, it is surrounded by a 60 mm thick insulating material (rock wool). Considering the cost of other units in addition to the reactor, a budget for the HTL pilot plant has been estimated at €518,203.33 and will be located at the Soleé Gourmet facilities in the Bay of Cádiz, San Fernando.