How sustainable is the biohydrogen produced from sugarcane vinasse? An approach based on life cycle assessment

Ramírez-Díaz, Roberto Carlos; Prato-Garcia, Dorian; Vásquez-Medrano, Rubén

doi:10.1007/s13399-022-03242-1

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“…Los reactivos empleados para la preparación del medio mineral para los reactores productores de hidrógeno y metano pueden encontrarse en la literatura especializada (Ramírez-Díaz, et al, 2022).…”

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“…Los procesos fermentativos, por ejemplo, transforman sustratos simples como azúcares de cinco y seis carbonos a temperatura y presión ambiente en una mezcla gaseosa compuesta esencialmente por H2 y CO2 (Ecs. 1 y 2) (Borole y Landfield, 2019; Ramírez-Díaz, et al, 2022). Además, la fase líquida resultante está compuesta por ácidos orgánicos (acético, butírico, propiónico) los cuales suelen ser aprovechados para la síntesis de CH4 o para su comercialización (Demirbas, 2009).…”

Section: Introductionunclassified

“…La principal ventaja de los procesos fermentativos es que operan a baja temperatura (30-50 °C) y a presión atmosférica; esto reduce de manera significativa el consumo de energía para el mantenimiento de las condiciones operativas del sistema. En general, este tipo de procesos pueden emplear como sustrato azúcares simples como la glucosa o materias primas como aguas residuales urbanas e industriales, residuos sólidos urbanos, biomasa, entre otros (Demirbas, 2009;Borole y Landfield, 2019;Ramírez-Díaz, et al, 2022).…”

Section: Introductionunclassified

“…La principal ventaja del uso de sustancias o materias primas consideradas como residuos para la síntesis de hidrógeno y sus mezclas (hitano: H 2+CH4) es que reduce o elimina la presión ejercida en el costo de los alimentos; adicionalmente, permite reducir el impacto causado por la gestión inapropiada de residuos o subproductos urbanos e industriales. En los últimos años, diferentes autores y grupos de investigación han demostrado el potencial de las rutas fermentativas para sintetizar hidrógeno a partir de vinazas de tequila, vinazas de caña, aguas residuales urbanas, aguas residuales provenientes de la industria de alimentos y bebidas, materiales lignocelulósicos, entre otros (Demirbas, 2009;Buitrón, et al, 2014;Borole y Landfield, 2019;Ramírez-Díaz, et al, 2022). Aunque su producción resulta viable técnicamente, resulta clave establecer los costos ambientales de este tipo de procesos para evitar cualquier evento adverso durante su desarrollo o implementación como ruta verde para la producción de hidrógeno.…”

Section: Introductionunclassified

“…Buena parte de los análisis de sostenibilidad de este tipo de procesos se basa en análisis energético, en su huella hídrica, en la huella de carbono; sin embargo, se han incorporado también herramientas más completas como el análisis de ciclo de vida (ACV). Este tipo de análisis han permitido detectar los puntos críticos del proceso, los más agresivos desde el punto de vista ambiental, y proponer alternativas para su mitigación (Valente, et al, 2021;Ramírez-Díaz, et al, 2022;Prato-Garcia, et al, 2023).…”

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Hidrógeno en Colombia: evaluando el potencial de la agroindustria para una transición energética sostenible

Prato García

2023

Encuentro Internacional De Educación en Ingeniería

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La idea de usar hidrógeno (H2) como portador energético se remonta a los setenta; sin embargo, factores como el costo de las materias primas, su huella ambiental y limitantes tecnológicas, han frenado su introducción. Actualmente, más del 96% del H2 proviene de fuentes no renovables como el gas natural (49%), hidrocarburos líquidos (29%) y carbón (18%). Aunque el uso o aprovechamiento del H2 no genera GEI, durante su síntesis se pueden emitir entre 10 y 20 kgCO2-eqv/kg H2. La síntesis de H2 por vía electrolítica, usando fuentes renovables de electricidad, conduce a emisiones próximas a 1 kgCO2-eqv/kg H2. Su desempeño ambiental y los bajos costos pronosticados para la electricidad y los sistemas de electrólisis, la convertirán en la alternativa dominante para el 2050; no obstante, se debe señalar que su rentabilidad técnica y sostenibilidad ambiental está ligada al grado de renovabilidad de la electricidad usada. Los informes presentados por la IEA y el IRENA, destacan que la transición energética será clave para reducir el impacto del cambio climático; no obstante, esta no resultará sencilla ni económica incluso para los países más ricos. Por tal motivo, resulta necesario estudiar rutas alternas y potencialmente aplicables en economías emergentes y con recursos renovables abundantes como la nuestra. El H2 también puede ser producido a partir de residuos orgánicos, aguas residuales urbanas e industriales y subproductos agroindustriales por vía fermentativa y a temperatura y presión ambiente. Tomando como referencia azúcares simples (glucosa, xilosa, lactosa) presentes en la mayoría de industrias y recursos naturales del país, es posible generar entre 2.5-3.5 kmol H2/kg azúcar; sin embargo, los resultados de laboratorio señalan la necesidad de emplear un proceso anaerobio complementario, el cual puede operar en serie o en paralelo, con el fin de mejorar la eficiencia energética del proceso y su robustez. Los modelos y los estudios de caso desarrollados sugieren que el metano (CH4) generado puede ser usado para la generación de energía eléctrica requerida por el proceso o para su uso como materia prima para la producción de H2 por reformado catalítico. La integración de la energía residual de otros procesos sugiere la posibilidad de obtener H2 con una huella de carbono negativa, es decir, un producto que consume el CO2 atmosférico. De igual forma, el uso de sustratos complejos como la vinaza de caña (2-3 kmol H2/kg azúcar) y de residuos sólidos urbanos ponen de manifiesto el potencial de diversos subproductos agroindustriales para la síntesis de H2 con huellas de carbono próximas o inferiores (-10 hasta 7 kgCO2-eqv/kg H2) a las reportadas por procesos convencionales sin comprometer la producción de alimentos o su costo. Finalmente, se debe señalar que en nuestro país se ha evidenciado la penetración a escala industrial de los procesos de producción de biogás (CH4-CO2) esto permitiría, además de producir H2 y CH4, dar lugar a mezclas combustibles potencialmente adaptables al mercado nacional como el hitano (H2: 10%, CH4: 50% y CO2: 40%) que conducen a una combustion más limpia y eficiente a menores temperaturas.

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Hidrógeno en Colombia: evaluando el potencial de la agroindustria para una transición energética sostenible

Prato García

2023

Encuentro Internacional De Educación en Ingeniería

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Hydrogen from natural gas and biogas: Building bridges for a sustainable transition to a green economy

Prato-Garcia

Robayo-Avendaño

Vásquez-Medrano

2023

Gas Science and Engineering

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Process Model and Life Cycle Assessment of Biorefinery Concept Using Agricultural and Industrial Residues for Biohydrogen Production

Gamero,

Ruppert,

Miehe

et al. 2024

Energies

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Sustainable waste management strategies are urgently needed due to an increasing global population and increased waste production. In this context, biorefineries have recently emerged as a promising approach to valorize waste streams and supply a broad range of products. This study presents the process model and life cycle assessment (LCA) of a biorefinery concept using a novel biochemical method, a so-called “dark photosynthesis” conversion. This process is coupled to a photo-fermentation using microalgae. Overall, the biorefinery concept can produce hydrogen, lutein, β-carotene, and proteins for animal feed. Apple pomace from apple juice production is used as feedstock for the primary conversion step. A process model was created with the process simulation software Aspen Plus® using experimental and literature data. Results from this model were then used in an LCA. The environmental impacts of the proposed biorefinery concept are relatively high, showing the need for process optimization in several areas. Energy system integration, stream recycling, and higher hydrogen yields are recognized as especially important for improving the environmental performance of this concept. Despite these findings, the model shows the feasibility of implementing the biochemical conversion technologies in a biorefinery concept for effectively utilizing residue streams.

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How sustainable is the biohydrogen produced from sugarcane vinasse? An approach based on life cycle assessment

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