Carbonización hidrotermal

La carbonización hidrotermal (Hydrothermal carbonization o HTC), a veces denominada "carbonización acuosa a presión y temperatura elevadas" o "hidrólisis térmica", es un proceso químico para la conversión de compuestos orgánicos a carbonos estructurales. Este proceso puede servir para crear una amplia variedad de materiales carbonados estructurados: producción de sustitutos de lignito, gas de síntesis, precursores líquidos de petróleo y humus desde la biomasa inicial, con una generación neta de energía. El proceso, que imita la formación de lignina que tiene lugar en naturaleza entre 50,000 a 50 millones de años, fue investigado por Friedrich Bergius y descrito por primera vez en 1913.^[1]​

Nano esferas de carbono creadas por carbonización hidrotermal de glucosa con CO₂ durante 6 horas, para cambiar propiedades de su superficie. Imagen SEM (microscopía electrónica de barrido) de la Universidad de Tartu.

Motivación

La eficiencia de carbono de la mayoría de los procesos para convertir materia orgánica en combustible es relativamente baja. Es decir, la proporción de carbono contenido en la biomasa, que se encuentra posteriormente en el producto final utilizable, es relativamente baja, como puede verse en la tabla a continuación:

Proceso	Eficacia de carbono
Fermentación alcohólica	67%
Conversión anaeróbica a biogás	50%
Producción de carbón vegetal desde madera	30%
Producción de humus por compostaje	5% a 10%

La parte no utilizada de carbono normalmente es emitida a la atmósfera como dióxido de carbono (CO₂) o en algunos casos, como en la fermentación anaerobia, como metano (CH₄). Ambos son gases de efecto invernadero. Son procesos exotérmicos, pero normalmente el calor liberado no puede utilizarse, por tener un nivel térmico bajo.

Una de las limitaciones de la producción de biodiésel a partir de aceite vegetal es el hecho de que solo la energía contenida en el fruto puede ser utilizado (aceite de semillas, etc.). Si se logra utilizar la planta entera para la producción de biocombustible, la producción de energía se multiplicaría por un factor de entre tres y cinco con la misma área de cultivo. Al mismo tiempo, para la misma producción de energía, se requeriría un menor uso de herbicida, energía, siendo mucho más interesante y eficiente. La carbonización hidrotermal, al igual que otros procesos como la licuefacción de biomasa (biomass-to-liquid), permite el aprovechamiento casi completo del carbono contenido en la biomasa para la producción de combustible.

Proceso

La biomasa se calienta junto con agua entre 170 y 190°C en un recipiente a presión (entre 7.9 y 12.6 bar), con el objetivo de que la reacción se produzca en fase líquida. Un ejemplo se puede ver en la ecuación adjunta, donde la glucosa (C₆H₁₂O₆) se deshidrata. Durante la reacción, el pH se reduce hasta 4-5 debido a la hidrólisis de los grupos acetilo de la hemicelulosa, produciendo ácido acético (junto con algunos otros ácidos) que se disocia generando iones oxonio.^[2]​ Este proceso se llama autohidrólisis. Puede ser acelerado mediante la adición de una pequeña cantidad de ácido cítrico.^[3]​ En este caso, a valores bajos de pH, más de carbono pasa a la fase acuosa. Cuando la reacción se realiza por cargas, después de 12 horas la conversión suele ser del 90 a 99% transformado en esferas de lignina (C₆H₂O) con tamaños de poro entre 8 y 20 nm, como una fase sólida, el restante 1% a 10% de carbono pasa al hidrolizado como azúcares monoméricos y algunos oligómeros o como dióxido de carbono. Una ecuación de ejemplo de reacción para la formación de lignina es:

La reacción puede ser parada en varias etapas con eliminación incompleta de agua, dando productos intermedios diferentes. En los primeros minutos se suelen formar sustancias lipofílicas, pero son muy reactivas y posteriormente polimerizan formando carbón y distintas estructuras después de que aproximadamente 8 horas.

Eficiencia

Como resultado de la reacción exotérmica de carbonización hidrotermal, alrededor de 3/8 del poder calorífico de la biomasa se libera (en base seca). Si el proceso es manejado adecuadamente, es posible utilizar este calor residual de la biomasa húmeda para producir biocarbón seco.

Véase también

• Biomasa
• Carbón pirolizado (en alemán)

Referencias

1. Friedrich Carl Rudolf Bergius: Anwendung hoher Drucke bei chemischen Vorgängen und die Nachbildung des Entstehungsprozesses der Steinkohle.
2. Piqueras, Cristian M.; Cabeza, Álvaro; Gallina, Gianluca; Cantero, Danilo A.; García-Serna, Juan; Cocero, María J. (15 de enero de 2017). «Online integrated fractionation-hydrolysis of lignocellulosic biomass using sub- and supercritical water». Chemical Engineering Journal 308: 110-125. doi:10.1016/j.cej.2016.09.007. Consultado el 29 de mayo de 2017. 
3. Peter Brandt: Die „Hydrothermale Carbonisierung“: eine bemerkenswerte Möglichkeit, um die Entstehung von CO₂ zu minimieren oder gar zu vermeiden?

Bibliografía

• Tobias Helmut Freitag: Hydrothermale Karbonisierung. Studienarbeit, Grin, 2011, ISBN 978-3-656-07822-7.
• X. J. Cui, M. Antonietti, S. H. Yu: Structural effects of iron oxide nanoparticles and iron ions on the hydrothermal carbonization of starch and rice carbohydrates. In: Small. 2 (6): 756-759, 2006.
• S. H. Yu, X. J. Cui, L. L. Li, K. Li, B. Yu, M. Antonietti, H. Colfen: From starch to metal/carbon hybrid nanostructures: Hydrothermal metal-catalyzed carbonization. In: Advanced Materials. 16 (18): 1636, 2004.

Enlaces externos

• Hydrothermale Carbonisierung HTC extraído de kompostverband.ch, acceso el 22/01/2017.
• Max-Planck-Gesellschaft: Zauberkohle aus dem Dampfkochtopf extraído de mpg.de, acceso el 22/012017.
• Chemical reactions under high pressure Conferencia a cargo de Friedrich Bergius con motivo de la entrega del Premio Nobel 1931, (PDF-Datei; 781 kB), extraído de nobelprize.org, acceso el 22/012017.
• Kraftstoff aus Orangen extraído de sueddeutsche.de, acceso el 22/012017.
• Weiterführende Informationen zum AVA-HTC-Reaktor mit interessanter Diskussion extraído de ithaka-journal.net, acceso el 22/012017.

•   Datos: Q907984