Recuperación de valor de residuos de biomasa de origen silvestre y agroindustrial de la Norpatagonia mediante pirogasificación

Abstract

La región de la Norpatagonia es una zona de una importante actividad agroindustrial, entre las cuales cabe mencionar la producción de vinos y jugos frutales, fundamentalmente en la zona del Alto Valle de Río Negro y Neuquén. Además, existe una incipiente explotación del escaramujo de Rosa mosqueta, un arbusto invasivo altamente distribuido en la región cordillerana, para la producción de aceites de uso cosmético, dulces y jaleas o de harina no convencional. No obstante, el procesamiento de la biomasa lleva asociada la generación de un importante volumen de residuos, que reduce la rentabilidad productiva y, principalmente, produce un impacto negativo sobre el medio. En el plano de proponer soluciones y alternativas de tratamiento, surge una de las plataformas más importantes para el posprocesamiento exhaustivo de los productos secundarios (material residual): la plataforma termoquímica. La presente tesis doctoral se centra en el estudio de tratamientos termoquímicos, particularmente de pirólisis y gasificación, aplicados sobre distintos residuos agroindustriales y silvícolas para el aprovechamiento último de los recursos.Se llevó a cabo la caracterización de residuos de uva, pera, rosa mosqueta y membrillo, proporcionados por productores regionales, para evaluar su potencial aprovechamiento mediante procesos de pirólisis y gasificación. Estos procesos permiten obtener productos tales como hidrocarburos gaseosos, gas de síntesis, mezclas líquidas de combustibles y compuestos aromáticos (bio-oil), además de una fracción sólida carbonosa (biochar), la cual presenta múltiples usos potenciales.Para el diseño de reactores de pirólisis y gasificación, es indispensable el conocimiento preciso de la cinética de descomposición del residuo de biomasa, por lo que se condujo un modelado mediante termogravimetría (TGA) para la determinación de los parámetros cinéticos: energía de activación, factor pre-exponencial y función de la conversión. En las reacciones de gasificación también se determinó el orden de reacción respecto del agente gasificante. La metodología adoptada en esta tesis incluye la deconvolución matemática de los datos termogravimétricos para un modelado por reacciones múltiples en paralelo de la descomposición de la biomasa. Asimismo se evaluaron las propiedades termodinámicas de activación de las reacciones involucradas.Se llevó a cabo el estudio de los productos y rendimientos de pirólisis y gasificación obtenidos por los distintos residuos, y en diferentes condiciones. Por técnicas analíticas, tales como espectroscopía infrarroja, cromatografía gaseosa y espectrometría de masas, se analizaron los productos gaseosos y líquidos obtenidos por los tratamientos termoquímicos, encontrando productos de interés en fase gaseosa, entre ellos metano, metanol, etileno, monóxido de carbono e hidrógeno. La caracterización completa del bio-oil permitió encontrar grupos de compuestos pertenecientes a los ácidos carboxílicos, alcoholes, fenoles, aromáticos, entre otros. Los compuestos de la fracción líquida se pueden destilar para obtener productos específicos de interés, o utilizar como combustible debido a su elevado poder calorífico. Por último, se estudió la superficie del biochar por microscopía electrónica de barrido (SEM), con el objetivo de evaluar las transformaciones a nivel morfológico del sólido conforme avanza la pirólisis.Con la finalidad de evaluar potenciales efectos sinérgicos en la pirogasificación de dos residuos distintos de rosa mosqueta, se condujeron experiencias de tratamientos termoquímicos aplicados a mezclas en diferentes proporciones. Los resultados indicaron un aumento en la producción de ciertos gases de interés en las mezclas de biomasa, tales como hidrógeno gaseoso, metano y monóxido de carbono. No obstante, se observó en varias reacciones de pirólisis, un aumento de la energía de activación, lo cual podría indicar que las mezclas son menos reactivas.Por último, se realizó un estudio preliminar de la pirólisis conducida en un reactor de lecho fluidizado burbujeante. Para ello, se evaluó en un prototipo en frío, construido en acrílico transparente, la velocidad de mínima fluidización y expansión del lecho de mezclas de los residuos de biomasa con arena (cuya función es de soporte en la fluidización). Una vez evaluado el comportamiento fluidodinámico, se llevó a cabo la pirólisis en un reactor de idéntica geometría y dimensiones construido en acero inoxidable, y se midió el rendimiento en gas de síntesis obtenido (CO + H2) a diferentes temperaturas.Los resultados obtenidos y discutidos en la presente tesis, establecen las bases necesarias para el diseño de reactores de pirólisis y gasificación que permitirán dar valor agregado a los residuos producidos en la región de la Norpatagonia. Tal valorización permite, además de obtener mayor beneficio en las industrias, disminuir drásticamente la contaminación al medio ambiente producida por los residuos no tratados.