Biomasa es el término utilizado para describir el peso o la cantidad total de organismos vivos en una zona o ecosistema concretos en un momento dado. La biomasa puede variar en función de la especie, la comunidad o el hábitat.
La biomasa se considera una fuente de energía sostenible y renovable porque puede reponerse rápidamente y puede absorber dióxido de carbono y liberar oxígeno durante su ciclo de crecimiento. Consiste en diversos materiales orgánicos, como madera, residuos vegetales, desechos animales y residuos municipales, que pueden utilizarse para generar energía.
La biomasa es un componente vital para reducir las emisiones de carbono y mitigar el cambio climático al ofrecer una alternativa viable a los combustibles fósiles.
La biomasa se compone en gran parte de celulosa, hemicelulosa y lignina, que son los elementos primarios que se encuentran en las paredes celulares de las plantas.
La celulosa, un polímero a base de glucosa, es el principal componente de la pared celular, mientras que la hemicelulosa contiene azúcares como los xilanos. La lignina es un polímero complejo formado por alcoholes deshidratados.
La biomasa también contiene azúcares que se disuelven en agua, aminoácidos, ácidos alifáticos y otros compuestos. La composición de la biomasa depende del contenido de parámetros como la humedad, las cenizas, el carbono, el nitrógeno y el azufre, que influyen en su valor energético, su eficacia de combustión y su impacto medioambiental.
Los biocombustibles son combustibles que se producen a partir de biomasa, que es una mezcla de plantas y animales procedentes de fuentes renovables. El etanol y el biodiésel son dos categorías principales de biocombustibles.
La producción de biocombustible implica múltiples procesos, como la deconstrucción, la fermentación y la conversión. El acto de deconstrucción es el proceso de romper la estructura rígida de la pared celular vegetal, que está formada por moléculas biológicas como la celulosa, la hemicelulosa y la lignina.
La fermentación consiste en que los microorganismos metabolizan los azúcares de las plantas y producen etanol principalmente a partir de cultivos como el maíz, la caña de azúcar y el maíz, mientras que el biodiésel se fabrica a partir de aceites vegetales como el aceite de soja y el aceite de canola.
Los biocombustibles son una alternativa renovable a los combustibles fósiles en el transporte y la generación de energía. La biomasa puede convertirse en combustibles líquidos o gaseosos mediante procesos de pirólisis, gasificación y licuefacción hidrotérmica.
La bioenergía también puede generarse quemando o intercambiando biomasa seca o biogás capturado mediante digestión anaerobia controlada. Para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, la quema de carbón implica quemar biomasa con combustibles fósiles.
Los seres humanos han utilizado la bioenergía durante milenios, desde que empezaron a quemar materiales vegetales o animales para alimentar sus fogones.
Hoy en día, la energía de la biomasa es cada vez más popular y una alternativa renovable a los combustibles fósiles, y la tecnología avanza rápidamente.
Los investigadores están estudiando la tecnología de producción de biocombustibles que utiliza residuos para generar biocombustibles avanzados.
Análisis Termogravimétrico (TGA) y Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC) son dos técnicas de análisis térmico que pueden utilizarse para examinar la estabilidad térmica de la biomasa.
La estabilidad térmica y el comportamiento de descomposición del material se determinan midiendo la pérdida de peso o el flujo de calor de una muestra de biomasa en función de la temperatura mediante estos métodos.
El proceso de descomposición térmica puede identificarse mediante la curva TGA, que incluye la descomposición de la humedad, la descomposición de la celulosa-hemicelulosa y la descomposición de la lignina.
El comportamiento de degradación térmica y las características cinéticas químicas de distintas muestras de biomasa, como las hojas de palmera, las hojas de olivo y la paja de trigo, pueden investigarse mediante TGA.
En la estabilidad térmica de la biomasa influyen factores como la velocidad de calentamiento, el tipo y tamaño de la muestra, el entorno experimental y el caudal de gas.
Las velocidades de calentamiento rápidas son una buena forma de llevar las reacciones a temperaturas más altas, mientras que elevar la velocidad de calentamiento y el flujo de gas puede acelerar la descomposición térmica y la pérdida de peso de la muestra.
En resumen, las técnicas de análisis térmico, como el TGA y el DSC, se utilizan para estudiar el comportamiento térmico, la cinética y la distribución de productos durante la combustión o la degradación de materiales de biomasa, proporcionando información sobre el comportamiento de la biomasa en distintas condiciones.
Estas técnicas son esenciales para optimizar los procesos de producción de energía y comprender las características de la biomasa para diversas aplicaciones.
El análisis térmico también puede ser muy útil para la caracterización de la biomasa.
La TGA (Termogravimetría) registra el cambio de masa, la DSC (Calorimetría diferencial de barrido) mide el flujo de calor y entalpía de los cambios, el TMA (Análisis Termomecánico) mide el cambio de dimensión, las deformaciones, la penetración, la flexión, la Dilatometría registra el cambio de dimensiones/volumen, EGA (análisis de gases evolucionados) proporciona información valiosa sobre los productos gaseosos liberados en el proceso de calentamiento.
Todas las mediciones se registran en función de la temperatura en condiciones controladas (temperatura, presión, flujo de gas, presencia de oxígeno).
Los métodos anteriores pueden combinarse (TGA-DSC-EGA).
Los procedimientos de ensayo normalizados se describen en la norma ASTM:
- ASTM D2584 – Pérdida por ignición de resinas reforzadas curadas
- ASTM E1131 -Análisis composicional por termogravimetría
- ASTM E1641 -Cinética de descomposición por termogravimetría utilizando el método Ozawa/Flynn/Wall
- ASTM E2008 – Índice de volatilidad por termogravimetría
La termogravimetría permite clasificar los cambios químicos en la muestra, basándose en la señal TG (desorción, craqueo en una o varias etapas, reacciones únicas o múltiples). Hay varios factores que afectan a las curvas de TG: velocidad de calentamiento (cinética de descomposición, proporción de productos de pirólisis), tamaño de la muestra (velocidad de reacción, velocidad de difusión, distribución de la temperatura), atmósfera (proporción de productos de descomposición), presión o flujo de gas (proporción de productos de descomposición, velocidad de reacción).
La termogravimetría puede ser una herramienta para investigar la estabilidad térmica (estudios de descomposición), la estabilidad oxidativa (vida de almacenamiento) y el análisis de la composición.
Una aplicación especial del termobalanceo es un experimento de gasificación del carbón o de la biomasa, en el que las muestras que contienen carbono se someten a una reacción (con o sin rampa de presión) en vapor de agua caliente para formar CO y CO2 a partir del carbono ligado. Este montaje es un experimento a pequeña escala de los grandes procesos de reactores que se utilizan habitualmente para la conversión de biomasa y, por tanto, puede optimizarse fácilmente.
El DSC puede considerarse un método útil para el análisis de la biomasa para caracterizar el flujo de calor y la capacidad calorífica en el proceso de pirólisis y combustión. La curva DSC indica la vía de reacción de la biomasa. El DSC permite evaluar el efecto de la evaporación en la desviación de la temperatura de la muestra respecto a la temperatura del gas de calentamiento y la energía de adsorción en la superficie de la muestra. Proporciona información sobre la naturaleza endotérmica/exotérmica de los procesos, contribuyendo así significativamente a interpretar los eventos de cambios de peso detectados por las curvas TG. Además, las curvas DSC pueden utilizarse como características discriminantes (por ejemplo, para la lignina/hemicelulosa).
Cita:
- Ahmed I. Osman, Neha Mehta, Ahmed M. Elgarahy, Amer Al-Hinai, Ala’a H. Al-Muhtaseb & David W. Rooney: Conversión de la biomasa en biocombustibles y evaluación del ciclo de vida: una revisión Volumen 19, páginas 4075-4118, 23 de julio de 2021.
- Sangita Mahapatra, Dilip Kumar, Brajesh Singh, Pravin Kumar Sachan: Biocombustibles y sus fuentes de producción: Una revisión sobre alternativas sostenibles más limpias frente a los combustibles convencionales, en el marco del nexo entre alimentación y energía Energy Nexus Volumen 4, 30 de diciembre de 2021, 100036.
- Dra. Sunita Barot: Biomasa y Bioenergía: Recursos, Conversión y Aplicación- Capítulo 9 Energías Renovables para la Evaluación del Crecimiento Sostenible, 25 de febrero de 2022.
