Biorafinarii 1. Introducere

2. Legislatia nationala si europeana

3. De la complexe petrochimice la biorafinarii Perspective istorice

Inceputurile utilizarii biomasei

Originile prelucrarii integrate a biomasei

Situatia actuala

A. Aspecte curente ale cercetarii si dezvoltarii biorafinariilor

B. Materii prime de tip biomasa

C. Perspective privind dezvoltarea tehnologiilor de prelucrare a biomasei

4. Principiile biorafinariilor 4.1. Fundamente

4.2. Definitia termenului biorafinarie

4.3. Rolul biotehnologiei

5. Biorafinarii 5.1. Introducere

5.2. Biorafinarii ce utilizeaza biomasa lignocelulozica

5.3. Biorafinarii ce utilizeaza intreaga cultura agricola

5.4. Biorafinaria verde

5.5. Biorafinarii cu 2 platforme

6. Prezent si perspective

Industriile chimica si petrochimica din Europa se orienteaza spre resurse de materii prime

alternative din doua motive principale:

- ingrijorarea referitoare la costul materiilor prime neregenerabile si la durata de viata a

acestora;

- ingrijorarea referitoare la problemele de mediu.

2. Legislatie nationala si europeana

Directiva 2009/28/CE a Parlamentului European i a Consiliului

din 23 aprilie 2009

privind promovarea utilizrii energiei din surse regenerabile, de modificare i ulterior de abrogare a Directivelor 2001/77/CE i 2003/30/CE

obiective obligatorii pentru 2020:

reducerea cu 20% a emisiilor de gaze cu efect de ser;

asigurarea unei ponderi de 20% a surselor regenerabile de energie n configuraia energetic a

Uniunii Europene; 2020 i un obiectiv minim obligatoriu de 10 %, ce trebuie atins de toate statele membre n ceea ce privete ponderea biocarburanilor n consumul de benzin i motorin n transporturi pn n anul 2020;

un plan de reducere cu 20% a consumului global de energie primar n UE pn n anul 2020;

Articolul 2 Definiii

n sensul prezentei directive, se aplic definiiile din Directiva 2003/54/CE.

De asemenea, se aplic definiiile urmtoare:

(a) "energie din surse regenerabile" nseamn energie din surse regenerabile nefosile, respectiv eolian, solar, aerotermal, geotermal, hidrotermal i energia oceanelor, energia hidroelectric, biomas, gaz de fermentare a deeurilor, gaz provenit din instalaiile de epurare a apelor uzate i biogaz; (b) "energie aerotermal" nseamn energie stocat sub form de cldur n aerul ambiental;

(c) "energie geotermal" nseamn energia stocat sub form de cldur sub stratul solid al suprafeei terestre;

(d) "energie hidrotermal" nseamn energia stocat sub form de cldur n apele de suprafa;

(e) "biomas" nseamn fraciunea biodegradabil a produselor, deeurilor i reziduurilor de origine biologic din agricultur (inclusiv substane vegetale i animale), silvicultur i industriile conexe, inclusiv pescuitul i acvacultura, precum i fraciunea biodegradabil a deeurilor industriale i municipale; (f) "consum final brut de energie" nseamn produse energetice furnizate n scopuri energetice industriei, transporturilor, sectorului casnic, serviciilor, inclusiv serviciilor publice, agriculturii, silviculturii i pescuitului, inclusiv consumul de energie electric i termic din sectorul de producere a energiei electrice i termice, precum i pierderile de energie electric i termic din distribuie i transport;

(g) "nclzire centralizat sau rcire centralizat" nseamn distribuia de energie termic sub form de abur, ap fierbinte sau lichide rcite, de la o surs central de producie, printr-o reea, ctre mai multe cldiri sau locaii, n scopul utilizrii acesteia pentru nclzirea sau rcirea spaiilor sau n procese de nclzire sau rcire;

(h) "biolichide" nseamn combustibil lichid produs din biomas utilizat n scopuri energetice altele dect pentru transport, inclusiv pentru energie electric, energie destinat nclzirii i rcirii;

(i) "biocarburani" nseamn combustibil lichid sau gazos pentru transport, produs din biomas; (j) "garanie de origine" nseamn un document electronic care are funcia unic de a furniza unui consumator final dovada c o pondere sau o cantitate de energie dat a fost produs din surse regenerabile, n conformitate cu articolul 3 alineatul (6) din Directiva 2003/54/CE;

(k) "schem de sprijin" nseamn orice instrument, schem sau mecanism aplicat de un stat membru sau de un grup de state membre, care promoveaz utilizarea energiei din surse regenerabile prin reducerea costurilor acestei energii, prin creterea preului la care aceasta poate fi vndut sau prin mrirea, prin intermediul unor obligaii referitoare la energia regenerabil sau n alt mod, a volumului achiziionat de acest tip de energie; acesta include, dar nu se limiteaz la ajutoare pentru investiii, scutiri sau reduceri de impozite, rambursri de taxe, scheme de sprijin privind obligaia referitoare la energia din surse regenerabile, inclusiv cele care utilizeaz certificate verzi, i scheme de sprijin direct al preurilor, inclusiv tarife fixe i bonus;

(l) "obligaie referitoare la energia regenerabil" nseamn o schem de sprijin naional care impune productorilor de energie s includ n producia lor o anumit proporie de energie din surse regenerabile, care impune furnizorilor de energie s includ n furnizarea de energie o anumit proporie de energie din surse regenerabile sau care impune consumatorilor de energie s includ n consumul lor o anumit proporie de energie din surse regenerabile. Sunt incluse scheme n cadrul crora astfel de cerine pot fi ndeplinite prin utilizarea certificatelor verzi;

(m) "valoarea efectiv" nseamn reducerea emisiilor de gaze cu efect de ser pentru unele sau pentru toate etapele unui proces specific de producie a biocarburanilor, calculat n conformitate cu metodologia stabilit n anexa V partea C;

(n) "valoare tipic" desemneaz o estimare a reducerii reprezentative a emisiilor de gaze cu efect de ser pentru o anumit filier de producie a biocarburanilor;

(o) "valoare implicit" nseamn o valoare derivat dintr-o valoare tipic prin aplicarea unor factori predeterminai i care poate, n anumite condiii specificate de prezenta directiv, s fie utilizat n locul unei valori efective.

Eurostat 2014; http://ec.europa.eu/eurostat/documents/3930297/6613266/KS-DK-14-001-EN-N.pdf/4ec0677e-8fec-4dac-a058-5f2ebd0085e4

In primary energy production the biggest contribution in 2012 stemmed from nuclear heat

(29%), followed by renewable energies (22%), solid fuels (21%), gas (17%), petroleum

products (10%) and non-renewable wastes (2%). Between 2002 and 2012 the trend in primary

energy production was negative for most energy sources. The energy production from

petroleum products decreased by 54% and from gas by 35%. Energy production from renewable

energies increased by 81%.

2. De la complexe petrochimice la biorafinarii Alternativa la resursele neregenerabile o constituie biomasa. Utilizarea resurselor de biomasa

(indeosebi cele ce nu au utilizari in alimentatie sau nu sunt obtinute de pe suprafete arabile) poate

avea beneficii importante economice, de mediu si sociale.

Pentru aceasta este nevoie sa se utilizeze toate componentele biomasei si, unde este posibil, sa

se obtina produse secundare valoroase. Apare astfel conceptul de biorafinarie integrata. Sunt multe

definitii posibile.

Prelucrarea unor resurse diverse de biomasa prin procese de conversie sau fractionare ce

cuprind etape fizice, biologice si chimice, pentru obtinerea de combustibili si intermediari organici

valorosi.

Tranzitia de la un sistem tehnologic la altul poate fi caracterizata ca un proces evolutiv in care

schimbarile apar treptat prin adoptarea unor tehnologii care se adapteaza mai bine cerintelor de

performanta, cost si preferinte utilizatori.

In industria chimica ultima mare schimbare de tip de resurse a fost cea de la carbune la titei.

Aceasta schimbare a inceput in perioada 1920 -1930 in SUA si s-a incheiat in 1950 - 1960 in

Germania. Schimbarea s-a datorat nevoilor din ce in ce mai mari de benzina. Initial aceasta era

obtinuta din produsele de la cocsificarea carbunelui.

1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 20300

10

20

30

40

50

60

70

80

90

%

Year

Coal

CrudeOil

Biomass

Fig. Evolutia surselor de materii prime pentru obtinerea de compusi chimici organici

Dupa trecerea la prelucrarea titeiului s-au dezvoltat tot mai multe tehnologii de conversie a

fractiilor petroliere din fractii grele (mai putin valoroase) in fractii usoare (mai valoroase), odata cu

acestea a crescut si cantitatea de produse secundare (olefine si aromatice), pentru care s-au gasit

utilizari in domeniul industriei chimice.

Deci putem spune ca motorul acelei schimbari l-a reprezentat cererea din ce in ce mai mare de

combustibil auto usor.

Modificarile actuale sunt determinate de necesitati

- economice

- de mediu

- sociale.

Dezvoltarea economica durabila are nevoie de resurse sigure si de durata, de un sistem

financiar stabil si predictibil pe termen lung, de siguranta ecologica si de o perspectiva buna din

partea publicului.

Rezervele de combustibili fosili nu sunt considerate sustenabile deoarece disponibilitatea lor

pe termen lung este pusa sub semnul intrebarii. Datorita cresterii continue a preturilor utilizarea lor

este intr-o usoara scadere.

Din acest motiv este importanta gasirea de solutii care sa permita scaderea consumului de

resurse fosile neregenerabile (petrol, gaze naturale, carbune). O astfel de solutie o reprezinta

trecerea economiei bazate pe combustibili fosili la o economie bazata pe utilizarea materiilor prime

biogene, regenerabile.

Fig.1 Modelul economiei bazate pe resurse bio

(Biorefineries Industrial Processes and Products, pag.3)

In timp ce pentru obtinerea de energie exista mai multe surse regenerabile (vnt, soare, apa,

fuziunea nucleara, biomasa), pentru obtinerea de produse si combustibili se are in vedere doar

biomasa.

Din acest motiv este nevoie de schimbari importante in productia de bunuri si servicii.

Rearanjarea intregii economii pentru a permite utilizarea pe scara larga a materiilor prime

regenerabile de natura bio are nevoie de abordari noi in cercetare si dezvoltare. In acest sens se

apreciaza ca stiinte precum chimia si biologia vor avea un rol esential in dezvoltarea industriei in

secolul XXI. Pe de alta parte vor apare dezvoltari sinergetice intre ramurile tehnice ale stiintei si

biologie, fizica sau chimie. Dezvoltarea unor sisteme care sa asigure conversia biomasei intr-o

gama larga de produse (biorafinarii) va fi cheia pentru obtinerea integrata de alimente, chimicale,

materiale, bunuri si combustibili in viitor.

Situatia actuala A. Aspecte curente ale cercetarii si dezvoltarii biorafinariilor Inca de la inceputul anilor 90, utilizarea resurselor regenerabile pentru obtinerea de produse

nealimentare a captat interesul industriei dar si al politicienilor.

Procesele integrate, tehnologia rafinarii biomasei si alte procese de baza ale biorafinariilor au

inceput sa fie cercetate si dezvoltate.

Termenul de biorafinarie a aparut la inceputul anilor 90. Proiectele respective erau

orientate inspre fabricare de combustibili, solventi, compusi chimici, mase plastice, dar si de

alimente pentru consumul uman. In unele tari se avea in vedere prelucrarea deseurilor de biomasa.

Cel mai important produs studiat a fost bioetanolul, dar au mai fost vizati si acidul lactic,

propandiolul, lisina. Au fost astfel obtinuti biopolimeri: acid polilactic, polihidroxialcanoati, uleiuri

polimerizate, etc.

Au aparut astfel sisteme de tip biorafinarii orientate spre prelucrarea cerealelor, lignocelulozei

sau lucernei. Biorafinariile au devenit de interes din punct de vedere ecologic, economic si implicit

politic. Au fost dezvoltate programe nationale, iar subiectul a fost abordat in numeroase manifestari

internationale.

La ora actuala sistemele de tip biorafinarie sunt in stadiu de dezvoltare.

B. Materii prime de tip biomasa Natura este o sursa permanenta de materii prime pentru substante chimice, combustibili,

cosmetice si farmaceutice, etc. Multe produse se obtin prin procedee de tratare fizica si chimica

relativ simple, de exemplu celuloza, amidon, ulei, proteine, lignina si terpene.

Prin procese biotehnologice mai complexe se pot obtine si intermediari chimici valorosi cum

ar fi: etanol, butanol, acetona, acid lactic, acid itaconic sau aminoacizi (glutamic, lisina, triptofan).

Cantitatea totala de biomasa produsa anual este enorma: 2x1011

tone, din aceasta doar 6x109

tone este utilizata, iar din cantitatea utilizata, doar 3-3,5 % are utilizari non-alimentare, de exemplu

in chimie.

Reactia de baza a obtinerii biomasei este fotosinteza:

nCO2 + nH2O (CH2O)n + nO2 Randamentul teoretic de captare si utilizare a luminii este de 6.5% dar practic cele mai mari

valori obtinute industrial pentru trestia de zahar si pentru alge este de 2.5%

Exista cteva definitii ale termenului biomasa:

- tot ceea ce este materie organica vie in mediul inconjurator (definitie nespecifica);

- materialul vegetal produs prin fotosinteza, se exclud plantele acvatice, ritm de crestere

anual 170-200 * 109 t;

- masa celulara a plantelor, animalelor sau microorganismelor utilizate ca materie prima in

procese microbiologice.

Credem ca ultima este cea mai potrivita definitie a biomasei in contextul utilizarii ei

industriale. In consecinta, o definitie a biomasei industriale este: orice masa organica care este

regenerabila, se includ astfel: culturile energetice si copacii, resturile obtinute la procesarea

alimentelor si nutreturilor, plante acvatice, lemnul, resturile de lemn, rezidii rezultate la cresterea

animalelor sau la cultivarea plantelor, care pot fi utilizate in procese industriale.

Cele mai multe materii prime sunt obtinute in agricultura, n silvicultura i n sistemele

microbiene.

Fig.1.2. Produsi si clase de produsi obtinute din biomasa

Alimente

Nutreturi

Produse farmaceutice

Produse industriale obtinute din biomasa

Produse regenerabile"biomasa"

Biomateriale

Uleiuri si cerneluriColoranti si pigmentiVopsele si lacuriDetergentiAdezivi industrialiBiopolimeriMateriale compozite

Combustibili si energie

Solide:Cocs, lignina, bagasa

Lichide:etanol, metanol, combustibili lichizi

Gaze:gaz de sinteza, metan, hidrogen

Biochimicale

Carbune activaditivi pentru combustibilifenoli si furfurolacid aceticacizi grasisurfactanti industrialichimicale pentru agriculturaprodusi chimici speciali

intermediari organici

Plantele obtinute in amenajari silvice sunt materii prime excelente pentru hrtie, cartoane,

materiale de constructii, dar si pentru procese chimice. Fructele slbatice pot fi folosite pentru

obtinerea de combustibili, produsi chimici, biomateriale. Resturile de biomasa obtinute natural sau

din procese agricole constituie rezerve importante de compusi organici si pot fi utilizate in

concordanta cu compozitia lor. De fapt termenul de deeuri de biomasa va deveni demodat odat

cu dezvoltarea proceselor tip biorafinarie.

4. Principiile biorafinariilor 4.1. Fundamente

In mod similar cu petrolul si biomasa are o compozitie complexa. In consecinta, prima etapa a

procesarii se refera la separarea pe grupe de substante. Tratamentul ulterior al acestor substante

conduce la obtinerea unei game largi de produse.

Petrochimia se bazeaza pe principiul generarii produsilor chimici din hidrocarburi in rafinarii.

S-au realizat sisteme eficiente de productie in care se obtin compusi chimici de baza,

intermediari organici dar si produse complexe. Acest principiu al functionarii rafinariilor trebuie

transferat si biorafinariilor.

Biomasa contine compusi naturali ce au alta compozitie elementala (C: H : O: N) dect

petrolul. Si din acest motiv procesele de conversie utilizate vor contine etape chimice combinate cu

etape biotehnologice.

Compoziia biomasei se poate modifica in timpul cresterii ei pentru a se adapta mai bine

proceselor de tratare utilizate ulterior.

Biomasa contine drept compusi de baza: carbohidrati, lignina, proteine si grasimi. In cantitati

mai mici exista si alti compusi precum: vitamine, coloranti, arome, etc.

Biorafinariile combina mai multe procese care au rolul de a converti componentii biomasei in

intermediari organici sau in produse finale (au valoare intrinseca de utilizare) vezi fig.1.4.

Presupunand o compozitie medie a biomasei: 75% carbohidrati (indeosebi celuloza, amidon

si zaharoza), 20 % lignina si doar 5 % alti compusi (grasimi, proteine sau alte substante) rezulta ca

principalul obiectiv este separarea carbohidratilor si conversia acestora in compusi chimici

folositori.

Glucoza, care se poate obtine prin metode chimice sau microbiene din amidon, zahar sau

celuloza, este un compus cheie deoarece o gama foarte larga de produsi se pot obtine din glucoza.

Pentru amidon se cunoaste deja ca procesele enzimatice decurg cu eficiente mai mari dect

procesele chimice.

Pentru celuloza acest lucru nu este nc realizat. Enzimele care pot hidroliza celuloza pot

actiona doar dupa o etapa de pretratament ce are rolul de a separa compozitul natural foarte stabil

format de lignina/celuloza/ hemiceluloza.

Aceste tratamente pot fi termice, termomecanice si necesita cantitati foarte mari de energie.

Fig. 1.3. Comparatie intre produsele de baza obtinute intr-o rafinarie si cele obtinute intr-o

biorafinarie (Biorefineries Industrial Processes and Products, pag.17)

Fig.1.4. Separarea biomasei in substante de baza permite prelucrarea industriala specifica a

acestora (Biorefineries Industrial Processes and Products, pag.18)

Biorafinarie

Agricultura Rafinare primara Industrie

Materii prime Conversiematerii prime Lignina

Substantecomplexe

Carbohidrati

Uleiuri sigrasimi

Substanteanorganice Proteine

Energie Substante speciale

PigmentiColorantiEsente aromaticeAromeEnzimeHormoniVitamineetc.

Produsespecifice

Produsespecifice

Produsespecifice

Produsespecifice

Produsespecifice

4.2. Definitia termenului biorafinarie

Domeniile Biorafinarii sau Produse industriale obtinute din biomasa sunt noi si le putem

considera domenii deschise ale cunoasterii.

Termenul de Biorafinaria verde a fost definit in 1997 sub forma urmatoare: Biorafinaria

verde reprezinta un sistem complex si complet integrat de tehnologii durabile (resurse

regenerabile si procese prietenoase cu mediul) pentru utilizarea multilaterala a biomasei.

O alta definitie americana a biorafinariei este: o biorafinarie este o unitate care integreaza

procesele si echipamentele de conversie a biomasei pentru a obtine combustibili, energie si

substante chimice din biomasa.

Conceptul de biorafinarie este analog celui de rafinarie petrolierea, ambele sunt sisteme

integrate complexe. Diferenta o da materia prima dar si gama de procese utilizate si de produse

obtinute.

Definitie adoptata de IEA (International Energy Agency :

Biorafinaria reprezinta procesarea durabila a biomasei intr-un

spectru larg de produse cu valoare economica si in energie

Definitie adoptata de Biorefinery

Euroview: Biorafinaria reprezinta un

proces integrat bio-industrial care

utilizezaza o gama larga de tehnologii

pentru a produce substante chimice, biocombustibili, alimente, nutreturi, biomateriale

(inclusiv fibre) si energie din biomasa

Biorafinariile au evoluat in timp. Biorafinariile de generatia I utilizau cereale sau plante

bogate in zahar pentru obtinerea de bioetanol. Se mai obtin si produsi secundari dar si CO2.

Instalatiile aveau capacitate fixa si nu erau flexibile in ceea ce priveste materia prima.

Biorafinariile de generatia a II-a utilizeaza tot cereale dar sunt capabile sa produca o gama

larga de produse (amidon, sirop cu continut de fructoza, etanol, ulei de porumb, faina, concentrat

proteic, etc). Functie de cerintele pietei distributia produselor se poate schimba.

Generatia a III-a de biorafinarii are in vedere transformarea completa a biomasei si obtinerea

unei game largi de produse chimice sau produse finite (vezi fig.1.6).

Fig.1.6. Biorafinarie de generatia III (Biorefineries Industrial Processes and Products, pag.20)

Materii prime- biomasa - diversa

Produse secundare din agriculturasau din industria alimentaraBiomasa din silviculturaDeseuri municipale organice

Procese tehnologice diferite

Bioprocese (in prezenta de

bacterii sau de enzime)

Procese chimiceProcese termochimiceprocese termiceProcese fizice

Produsi:- substante- energie

CombustibiliChimicaleMateriale (biopolimeri)Compusi chimici specialiMarfuri si bunuri