La Revista Retema ha publicado un artículo en su edición especial sobre bioenergía: "La evolución de las plantas de biogás agroindustrial hacia nuevos modelos basados en el concepto de biorrefinería" en el que se revisa el concepto de biorefinería, se analiza el potencial y las oportunidades que ofrece la digestión anaerobia en el contexto de estas instalaciones.

1. Evolución de las plantas de
biogás agroindustrial hacia nuevos
modelos basados en el concepto
de biorefinería
L
a digestión anaerobia está
llamada a convertirse en
una tecnología de gran im-
portancia para el desarrollo
de las futuras biorefinerías. Ya se
emplea como tecnología auxiliar
para valorizar corrientes residua-
les, pero debe potenciarse su uso
como tecnología principal. El reto
es replantear las plantas de bio-
gás actuales ampliando su gama
de productos finales yendo mu-
cho más allá de la venta de la
electricidad. Las empresas deben
apostar por la innovación desa-
rrollando el potencial de nuevas
plataformas como la de los ácidos
grasos volátiles, biogás y digeri-
do, que permitirán en el futuro ob-
tener desde bioplásticos y “com-
modities” químicas, a biomasas
de alto valor como las microalgas.
Es el momento de hacerlo. La
Unión Europea ha decidido utili-
zar las biorefinerías como instru-
mento clave en su objetivo de de-
sarrollar una nueva bioeconomía
para desplazar a la economía ba-
sada en el petróleo y ofrece mu-
chas posibilidades para financiar
proyectos demostrativos. El pro-
yecto de biorefinería CLAMBER
en Castilla-LaMancha es el refe-
rente en España y ofrece una gran
oportunidad para validar nuevos
modelos de biorefinería, como por
ejemplo, el desarrollando por AI-
NIA a partir de deyecciones gana-
deras. El presente artículo revisa
el concepto de biorefinería, anali-
za el potencial y las oportunidades
que ofrece la digestión anaerobia
en el contexto de estas instalacio-
nes, y por último, explica nuestra
propuesta de biorefinería para de-
yecciones ganaderas.
EL CONCEPTO DE
BIOREFINERÍA
La biomasa es la materia prima
de una biorefinería del mismo mo-
do que el petróleo es la de una re-
finería tradicional. Por biomasa se
entiende desde cultivos tradicio-
nales hasta microalgas pasando
por residuos orgánicos de origen
agrícola, ganadero, forestal, in-
dustrial o urbano. Las biorefinerí-
as se caracterizan por transformar
34 Especial BIOENERGÍA 2015RETEMA I www.retema.es I
Andrés Pascual, Leticia Regueiro, Gracia Silvestre
Departamento de Medio Ambiente, Bioenergía e Higiene Industrial
Ainia Centro Tecnológico I www.ainia.es
EVOLUCIÓN DE LAS PLANTAS DE BIOGÁS HACIA EL MODELO DE BIOREFINERÍA

2. la biomasa en varios productos finales
incluyendo bioenergía en forma de
electricidad y/o calor, o biocombusti-
bles sólidos, líquidos como el biodiesel
o el bioetanol, y gaseosos como el bio-
gás. Otros productos son alimentos,
piensos, fertilizantes y los bioproductos
o “bio-based products” que son la ver-
sión de origen “bio” de numerosos pro-
ductos de consumo o materiales de ori-
gen fósil: bioplásticos, biopinturas,
bioadhesivos, biolubricantes, etc. Tam-
bién se obtienen compuestos sencillos
denominados bioquímicos o “biochemi-
cals” que bien se venden como “com-
modities” químicas a otras industrias, o
se emplean internamente como ladri-
llos químicos o “building blocks” para
ser transformados en bioproductos.
Los productos finales de las biorefinerí-
as pueden bien sustituir a productos ya
existentes en el mercado, generalmen-
te de origen fósil, o bien convertirse en
nuevos incorporando funcionalidades
diferentes o mejoradas.
Para conseguir esta amplia gama de
productos las biorefinerías integran en
una misma instalación distintos proce-
sos que pueden ser físicos, químicos,
termo-químicos o biotecnológicos. Los
productos intermedios que se generan
tras las trasformaciones primarias de la
biomasa, se denominan “plataformas” a
partir de las cuales se aplican procesos
de transformación o refinado secunda-
rios hasta alcanzar los productos fina-
les. Ejemplos de plataformas son mez-
clas de azúcares C5 y C6, lignina, fi-
bras, proteínas, aceites y lípidos, bio-
gas, gas de síntesis (syngas). Estos
productos intermedios que se producen
en los procesos primarios de biorrefine-
ría, seguirán siendo procesados en la
biorrefinería hasta obtener los productos
finales (bioenergía y bioproductos).
Por ejemplo, una biomasa rica en he-
micelulosa se transforma mediante hi-
drólisis en una plataforma de azúcares
C5 y C6 que a continuación se procesan
hasta la obtención de sorbitol y furfural.
Aproximadamente, cada año se produ-
ce 1 millón de
toneladas de sorbitol como ingrediente
alimentario, ingrediente para pasta de
dientes, y para usos industriales. La ta-
bla 2 muestra algunos ejemplos de bio-
refinería que ya operan en la UE.
Existen muchos tipos de biomasas y
combinaciones posibles con platafor-
mas y productos finales siendo la flexibi-
lidad de una biorefinería una caracterís-
tica clave para poder incorporar nuevos
procesos en instalaciones existentes.
El concepto de biorrefinería lleva
asociado obtener productos con un
elevado grado de sostenibilidad medio-
ambiental y socio-económica por lo
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35Especial BIOENERGÍA 2015I www.retema.es I RETEMA
Tabla 1. Productos finales de una biorefinería
Bioenergía Bioproductos (“bio-based products”)
• Electricidad
• Calor
• Biocombustibles:
- Sólidos: pellets y otros.
- Líquidos:
bioetanol
biodiesel
biobutanol
jet-fuel
- Gas:
syngas
biogas
biometano
biohidrógeno
CO2
• Alimentos.
• Piensos.
• Fertilizantes.
• Productos químicos:
biolubricantes, biopinturas, biorecubrimientos, bio-
resinas, bioadhesivos, etc.
• Biomateriales:
bioplásticos, biopolímeros, biocomposites, caucho,
etc.
• Compuestos bioquímicos (“biochemicals”):
carbohidratos , polifenoles, ácidos carboxílicos,
esteres y ácidos grasos, proteínas, etc.
Tabla 2. Algunos ejemplos de biorefinerías en la UE
Biorefinería
Pöls
(Austria)
Lestrem
(Francia)
Caserta
(Italia)
Pischelsdorf
(Austria)
Biomasa Madera
Trigo
Patata
Maíz
Pera
Biomasas lig-
nocelulósicas
Cereales
Plataformas
Pasta.
Licor negro
Almidón
Azúcares C5-
C6
Almidón
Azúcares C5-C6
Productos
finales
Papel y pasta de papel.
Tall oil
Aceite de trementina
Electricidad
Calor
Alimentos
Piensos
Acido succínico
BioEtanol
Acido levulíni-
co
Almidón
Gluten
Bioetanol
CO2
Fuente: BioRefineries Blog

3. que es imprescindible garantizar una
adecuada eco-eficiencia en la propia
planta transformadora así como plante-
amientos que integren toda la cadena
de valor.
BIOREFINERÍAS QUE
INCORPORAN LA DIGESTIÓN
ANAEROBIA EN SUS
PROCESOS COMO
TECNOLOGÍA AUXILIAR
La presencia de la tecnología de di-
gestión anaerobia en las biorefinerías
que actualmente se encuentran en fun-
cionamiento en la UE se limita a la valo-
rización de corrientes residuales líqui-
das y sólidas procedentes de los
procesos de transformación de la bio-
masa. Como se muestra en la tabla 3,
dichas biorefinerías están especializa-
das en la producción de biocombusti-
bles líquidos, y sobre todo, de bioetanol.
BIOREFINERÍAS BASADAS EN
DIGESTIÓN ANAEROBIA COMO
TECNOLOGÍA PRINCIPAL DE
TRANSFORMACIÓN DE LA
BIOMASA
Existen miles de instalaciones en to-
da la UE que transforman deyecciones
ganaderas con cultivos como el maíz, o
con diversos tipos de residuos orgáni-
cos agroalimentarios. Estas plantas
producen biogás, que a su vez es trans-
formado en motores de co-generación
en calor y electricidad, y digerido, apro-
vechado como fertilizante. Aunque no
se denominan “biorefinerías” se podría
decir que estas plantas son biorefinerí-
as simples. El reto consiste en evolucio-
nar las plantas actuales hacia modelos
más complejos optimizando los proce-
sos de digestión anaerobia, desarro-
llando nuevas plataformas y ampliando
el número de productos finales.
Plataforma de Ácidos
Grasos Volátiles (AGVs)
Los ácidos grasos volátiles o AGVs
(acético, propiónico, butírico, ...) son
compuestos intermedios de la digestión
anaerobia que recuperados tienen valor
como commodities químicas. Podemos
producir una corriente líquida rica en
AGVs a través de la optimización de las
primeras dos fases de la digestión anae-
robia, es decir, la hidrólisis y la acidifica-
ción. El proceso de recuperación es cla-
ve en la viabilidad de esta alternativa.
Generalmente se aplica un proceso de
filtración o centrifugación para la elimi-
nación de partículas, y a continuación,
cabe emplear diversas técnicas como
por ejemplo: precipitación con reactivos
químicos, destilación, adsorción, mem-
branas de nanofiltración y ósmosis in-
versa, electrodiálisis o extracción con di-
solventes, entre otras.
Bioplásticos
Los ácidos grasos volátiles produci-
dos en la digestión anaeróbica son
substratos adecuados para la produc-
ción de polihidroxialcanoatos (PHAs),
es decir, bioplásticos. Hay muchas co-
munidades microbianas presentes por
ejemplo en lodos de depuradora que
poseen la capacidad de transformar los
AGVs en PHAs. Los PHAs forman grá-
nulos dentro del citoplasma bacteriano
(se van acumulando como reserva de
carbono) y pueden ser extraídos para la
producción de bioplásticos. El proceso
de obtención de PHA a partir de cultivos
mixtos se realiza en reactores aerobios
y se basa en la acumulación de los
PHA mediante dos etapas de proceso:
etapa de enriquecimiento y etapa de
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36 Especial BIOENERGÍA 2015RETEMA I www.retema.es I
Tabla 3. Biorefinerías que incorporan la digestión anaerobia en sus procesos como tecnología auxiliar
Biorefinería
Schwedt
(Alemania)
Sarpsborg
(Noruega)
Greenmills
Puerto de
Amsterdam
(Holanda)
Zörbig
(Alemania)
Biomasa Centeno
Cultivos o residuos
lignocelulósicos
Aceites usados y
otros residuos
orgánicos
Centeno
Triticale
Trigo
Plataformas
Almidón
Azúcares
Azúcares C5-C6
Lignina
Biogás
Aceite
Almidón
Azúcares
Productos
finales
Bioetanol
Biogás
Fertilizantes orgánicos
Bioetanol
Lignina
Celulosa
Vanilina
Biogás
Biodiesel
Bioetanol
Biogás
Fertilizantes
Bioetanol
Biogás
Fertilizantes
Fuente: BioRefineries Blog

4. acumulación. La producción de polihi-
droxialcanoatos a escala industrial utili-
za sustratos puros como glucosa, fruc-
tosa, sacarosa y ácido propiónico, así
como cultivos puros que encarecen mu-
cho el proceso. Por lo tanto, una mane-
ra de reducir su coste de producción, es
empleando fuentes de carbono más
económicas como los residuos orgáni-
cos típicamente valorizados mediante
digestión anaerobia, y cultivos mixtos.
Acidos Grasos de Cadena
Media (AGCM)
Los AGVs se pueden transformar en
Acidos Grasos de Cadena Media para
aprovechar que los ácidos con cadenas
más largas tienen aplicaciones de ma-
yor valor añadido que los AGVs, inclu-
yendo biopinturas, bioplásticos y biolu-
bricantes. Los AGCM son ácidos
monocarboxílicos saturados lineales
con 6-8 átomos de carbono a diferencia
de los AGVs más cortos. Los AGCM se
pueden obtener a partir de los ácidos
grasos volátiles (AGV) en presencia de
etanol y Clostridium kluyveri en un pro-
ceso conocido como β-oxidación inver-
sa o “elongación de cadena”.
El ácido n-capróico es un AGCM que
puede ser fácilmente convertido en bio-
carburante líquido con elevada capaci-
dad energética, lo que le confiere un al-
to valor económico. Además, el ácido
n-capróico también podría tener otros
usos como para alimentación animal,
antimicrobiano o como substrato para
esterificación en alimentación humana.
Bioalcoholes
Los AGVs se pueden recuperar me-
diante precipitación química y cristaliza-
ción en forma de sales de carboxilatos. A
partir de estas sales y mediante un pro-
ceso termoquímico es posible producir
biocombustibles líquidos (bioalcoholes)
con un valor económico mucho mayor al
del metano, y de ahí su creciente interés.
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37Especial BIOENERGÍA 2015I www.retema.es I RETEMA

5. Plataforma de biogas
El biogas es una mezcla de metano,
CO2, y otros gases minoritarios. Tras
procesos de depuración y enriqueci-
miento mediante diveras técnicas
(scrubbing, PSA, aminas, membranas,
criogenización, etc.) podemos obtener
biometano para uso como biocarburan-
te en vehículos o para su inyección en
redes de gas. Algunas de las técnicas
de recuperación del metano del biogás
permiten separar también el CO2 para
distintos usos industriales como por
ejemplo las plantas de producción de
bebidas refrescantes o la producción
de microalgas. El CO2 también puede
reaccionar con biohidrógeno proceden-
te de fuentes renovables (electrolisis
del agua a partir de fotovoltaica o eóli-
ca), y producir un volumen de biometa-
no extra mediante procesos de catáli-
sis química o biológica. Por último, el
metano puede ser empleado como re-
activo en procesos catalíticos que tie-
nen por objeto la obtención de com-
puestos bioquímicos como por ejemplo
el metanol. Son muchos los productos
que se preparan a partir de metanol co-
mo materia prima, o que necesitan de
este alcohol como disolvente de reac-
ción. Otra alternativa es la producción
der propionato de etilo, utilizable en
procesos industriales. Todavía queda
mucho que investigar en el campo de
la química del metano para hacerlo
más reactivo, y de modo económica-
mente favorable.
Plataforma de digerido
Nutrientes
Los digeridos procedentes de la di-
gestión anaerobia son licores ricos en
nutrientes, especialmente nitrógeno y
fósforo, así como materia orgánica. La
recuperación de nutrientes ya no es tan
solo una cuestión de evitar contamina-
ción medioambiental allá donde se ge-
neren excedentes, también es una prio-
ridad para conseguir una mayor
eficiencia en el uso de los recursos en el
marco de modelos de economía circu-
lar. A través de técnicas de stripping y
absorción se puede recuperar nitrógeno
en forma de sulfato amónico procedente
de la fracción líquida de los digeridos.
También se puede recupera fósforo me-
diante la precipitación de estruvita.
Microalgas
Las microalgas son microorganismos
que en presencia de luz y CO2 pueden
fijar nutrientes en forma de biomasa va-
lorizable tanto para fines energéticos
como para ingredientes o productos pa-
ra biofertilizantes, acuicultura, ganade-
ría, animales de compañía, etc. Se trata
en definitiva de aprovechar el digerido
líquido como medio de cultivo de bajo
coste. Los biofertilizantes a base de mi-
croalgas ya están siendo comercializa-
dos y obteniendo buenos resultados
económicos.
INNOVACIÓN PARA EL
DESARROLLO DE
BIOREFINERÍAS. EL EJEMPLO
DEL PROYECTO CLAMBER EN
CASTILLA-LAMANCHA.
Castilla-La Mancha está desarrollan-
do actualmente el Proyecto “Castilla-La
Mancha Bio-Economy Region” (Proyec-
to CLAMBER), que sienta las bases pa-
ra convertir a esta región en el referente
del sur de Europa dentro de la investiga-
ción relacionada con el aprovechamien-
to de la biomasa, teniendo en cuenta
que es un gran productor de la misma.
Dispone de un presupuesto de 20 M€
aportados por el Ministerio de Economía
y Competitividad y por la Junta de Co-
munidades de Castilla-La Mancha y es-
tá cofinanciado con Fondos FEDER.
El proyecto consta de dos actuacio-
nes diferentes pero complementarias.
Por un lado, la construcción de un Cen-
tro de Investigación, en el que se alber-
gará una biorrefinería a escala planta
piloto modular, versátil y con procesos
innovadores donde las empresas que lo
deseen puedan realizar sus experimen-
tos a una escala más cercana a la reali-
dad y donde el personal pueda formar-
se con competencias adecuadas a los
nuevos requerimientos de la industria
de base biológica. Por otro, la realiza-
ción de proyectos de I+D encaminados
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6. a la óptima selección de materias pri-
mas, a la mejora o desarrollo de nuevos
bioprocesos, al desarrollo de nuevos
productos y a la investigación socioeco-
nómica, nuevos modelos de negocio,
logística y otros retos tecnológicos.
AINIA Centro Tecnológico está desa-
rrollando tres proyectos de I+D relacio-
nados con tres tipos de biomasa: resi-
duos ganaderos, lodos de EDAR y
residuos vinícolas. Los proyectos tie-
nen prevista su finalización en Diciem-
bre de 2015.
El modelo de biorefinería
genérico Clamber-G a partir
de un mix de deyecciones
ganaderas.
El modelo genérico de biorrefinería
de deyecciones ganaderas desarrolla-
do por AINIA en el marco del proyecto
Clamber se aplica a un entorno rural
con numerosas explotaciones ganade-
ras de diversas especies animales
(porcino, bovino, avícola,..), y rodeadas
de explotaciones agrícolas. El modelo
toma en consideración toda la cadena
de valor, desde el aprovisionamiento
de los residuos ganaderos hasta la dis-
tribución de los bioproductos. En la
planta de valorización, los residuos ga-
naderos se podrían llegar a transfor-
mar en biocombustibles: biogás, biohi-
drógeno y/o biometano, y varios
bioproductos: sales de carboxilatos,
fertilizantes granulados o biomasa mi-
croalgal para piensos.
Partiendo de este modelo genérico
de biorefinería, los resultados del pro-
yecto determinarán cual es la versión
más sostenible en el entorno de Casti-
lla-La Mancha concretando tipo, canti-
dad y proporción de residuos ganade-
ros, procesos de biorefinado y
bioproductos finales a obtener emplear.
El modelo también se podría adaptar a
otras regiones de España variando sus
especificaciones como consecuencia
de las diferencias del entorno y merca-
do potencial de los bioproductos.
Descripción del modelo
genérico Clamber-G:
Los Centros de Acondicionado y
Transferencia (CATs) permitirán optimi-
zar los costes de transporte para hacer
más sostenible el proceso aprovisiona-
miento del residuo ganadero. Cabe re-
cordar que los residuos ganaderos tie-
nen un elevado contenido en agua. Las
CAT son unidades de almacenamiento
temporal y/o acondicionado (filtración,
concentración, control de calidad, ..)
previo al transporte a la planta.
En el proyecto Clamber-G incorpora
una digestión anaerobia con separa-
ción de fases orientada a la producción
de AGVs o “carboxilatos”. La ventaja
de este sistema es la no dependencia
de inóculos y se basa en la experiencia
previa de AINIA a través de proyectos
como DianaH2 sobre digestión en 2 fa-
ses o AD-WISE sobre control on-line de
AGVs. La fases de la digestión se sepa-
rarían en dos digestores diferentes. Así,
la hidrólisis y acidogénesis ocurren en
el primer digestor, y la metanogénesis
(producción de metano) en el segundo.
Una innovación destacada de la pro-
puesta Clamber-G es la de utilizar par-
te del caldo de fermentación del reactor
hidrolítico (fase 1 de la digestión) para
un proceso de downstream o recupera-
ción de sales de carboxilato mediante
reacción química, concentración y cris-
talización de sales de carboxilatos.
En la segunda fase de la digestión
anaerobia se genera un digestato rico
en nitrógeno y fósforo al que se le aplica
un proceso de separación sólido-líqui-
do. Con la fracción sólida se desea ob-
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7. tener fertilizantes granulados mediante
la tecnología spouted bed drying. Con la
fracción líquida se adaptarán procesos
de stripping y precipitación de estruvita
para la recuperación de nutrientes que
se emplearían para enriquecer la pro-
ducción de fertilizantes granulados, para
el cultivo de microalgas o para su venta
como fertilizante. El objetivo es recupe-
rar el 100% de los nutrientes.
El biogás obtenido en la primera fase
es un gas rico en biohidrógeno mientras
que el gas del segundo reactor es simi-
lar al biogas convencional. Las dos co-
rrientes podrían ser valorizadas energé-
ticamente juntas o por separado siendo
un resultado del propio proyecto deter-
minar lo más adecuado. El biogas rico
en biohidrógeno obtenido en el primer
biorreactor se podrá emplear mezclado
con el biogás del segundo biorreactor,
incrementando su valor energético, o
por separado como combustible en pi-
las de hidrógeno para producir calor y
electricidad. El biogás obtenido en la
segunda fase podría ser empleado de
forma tradicional directamente para ob-
tener calor y electricidad en un motor de
co-generación. El calor se aprovecharía
tanto en el calentamiento del digestor
como en el postratamiento del digestato
u obtención de sales de ácidos carboxí-
licos. La electricidad producida podría
ser auto-consumida o volcada a la red o
micro-red eléctrica a la que esté conec-
tada la biorrefinería Clumber.
Como complemento o alternativa a la
cogeneración de calor y electricidad se
plantea un posible proceso de depura-
ción de gases contaminantes y enrique-
cimiento, obteniendo dos corrientes, por
un lado biometano para uso en vehícu-
los agrícolas (tractores, pequeños ca-
miones, ..), o inyección en redes de gas,
y por otra CO2 biogénico para múltiples
usos como la bioproducción de microal-
gas, reacción en procesos químicos de
la biorrefinería, o para su licuado y uso
como ingrediente en bebidas carbonata-
das y otros usos alimentarios.
Por último, se plantea integrar una
etapa de bioproducción de microalgas
en sistema abierto raceway con lámina
fina, a partir de del digestato líquido pro-
cedente del digestor secundario rico en
nutrientes. También se consideraría el
uso del CO2 residual de la línea de enri-
quecimiento de biogás a biometano. La
biomasa microalga obtenida se estabili-
zara como producto suplementario en la
formulación de piensos o para emplear-
lo en la producción de biofertilizantes.
EVOLUCIÓN DE LAS PLANTAS DE BIOGÁS HACIA EL MODELO DE BIOREFINERÍA
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Figura 1. Modelo genérico de biorefinería Clamber-G para residuos ganaderos
Figura 2. Diagrama de flujo biorrefinería genérica CLUMBER-G de residuos ganaderos