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1. Background. 1.1 Introduction to bioethanol Bioethanol is a type of biofuel, which, along with biodiesel, are the two major types of liquid biofuels at present. In the future, perhaps to include other like biobutanol, but for now, talk of liquid biofuels is to biodiesel and bioethanol. It is worth noting that those biofuels mean by liquid fuels of biological origin, which by their physicochemical characteristics are suitable to replace gasoline or diesel fuel, either in whole, in combination with the latter or as an additive, (defined as the Institute for Energy Diversification and Saving). These products are derived from plant matter. Specifically, bioethanol can be defined as that alcohol or ethyl alcohol fuel, liquid whose chemical formula is C2H5OH, which is produced from the fermentation of crops that contain sugars, starches or cellulose, as the three ways of obtaining the current bioethanol drawn in the following chart.
Figure 1. Outline of production of bioethanol as current three-way Then, it will show a brief history of the use of bioethanol. Obviously, it was obvious the food consumption of ethanol, focusing this brief explanation of their use as fuel.
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Figure 2. Evolution use bioethanol The diagram above is fairly self-explanatory. The current trend toward biofuels is merely a return to origins. Otto cycle engine (petrol) and diesel were originally to be fueled with ethanol (in a startup called gasohol, the name still known in some parts of the world such as Brazil) and oil, respectively. In 1900, Rudolf Diesel introduced the engine that bears his name powered by peanut oil. Because science and technology have been progressively adapted by minor modifications, the engines for use with this oil derivatives, Otto existing engines can not operate in high blends of bioethanol, unless specifically adapted. The following chart shows the compatibility of existing fleets of vehicles Otto cycle with different proportions of bio-ethanol mixture. Became the first country to challenge the independence of the oil transportation was Brazil, which from 1973 began to mix gasoline and ethanol at a ratio of 22:78. In 1979, Brazil produced the first cars that could run on hydrated alcohol (95% ethanol and 5% water), later, in 1980 most of the cars produced were designed to work exclusively with ethanol Ethanol can be used in practice in mixtures with gasoline in concentrations of 5 or 10%, E5 and E10 respectively, requiring no changes to today's engines, according to the experience. However, European legislation on the volatility of petrol set the ethanol mixtures E5. Higher concentrations are allowed in countries such as USA, in fact, all petrol vehicles sold in the U.S. are able to operate with E10, and that is accepted by all manufacturers, serves as an example the fact that in 2006 in this country 50 % of petrol sold was mixed with bioethanol E10 the majority share In Spain and in Europe, the main application in the automotive sector is the development of bioethanol Ter Ethyl butyl ether (ETBE), an additive that improves oxygenation of the mixture to the combustion (increases the octane fuel).
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ETBE is used as a substitute for Methyl Ter Butyl Ether (MTBE), a product of similar properties whose use is restricted because of their polluting effects. Thus, bioethanol produced in Europe is usually used as raw material for refineries, mixed with isobutylene, to form ETBE. However, the application of bio-ethanol that gives its huge development potential and is present worldwide with direct gasoline mixture (no need to develop ETBE) and ever higher proportions. America (USA and its area of influence, Brazil etc) most of the vehicles sold today are Flexifuel vehicles (FFV, for short) which can run on ethanol in any proportion up to 85% (E85) as deposits have adapted to a switchboard, analyzed the ratio of the mixture in the tank, regulates the cycles of the four-stroke engine, based on that percentage, making the engine to operate at its peak. In Europe, more and more brands are introducing models Flexifuel therefore continue a trend toward the convergence market, driven by European directives demanding mix of biofuels in liquid fuels. These demands, quantitatively, are: An 1.9% bioethanol and biodiesel in all gasoline and diesel sold in late 2008. An 3.8% at the end of 2009. -A 5.75% in late 2010.
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1.2 The world market for bioethanol The main world producers are by far Brazil and the United States (an estimated Copan between 85% 90% of world production), followed by far, the European Union and China and other countries with a lower production industry in Brazil and consumption of ethanol started in the 70s and this is where bioethanol is more widespread and socially accepted. Brazil occurred in 2006 17.500 million liters of bioethanol in 2005 the number was 16,500 million, compared with 16,230 in the USA. Focusing on Europe, the amounts are lower. According to the European Bioethanol Association figures are: COUNTRY Germany Spain France Poland Sweden Italy Hungary Lithuania Netherlands Czech Republic Finland TOTAL 1,592 913
2006 431 396 293 161 140 78 34 18 15 15 0
2005 165 303 144 64 153 8 35 8 8 0 13
In light of these data shows that European production is increasing at a rate of 72.9% between 2004 and 2005 and 74.3% between 2005 and 2006, which involves increased production of three in just two years. As seen above, and saving the distances, the rates of growth in Brazil and the U.S. are much lower. Obviously, we consider that those are mature markets in Europe and emerging. Still, it is a significant fact shows the strong commitment of the EU biofuels.
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PROYECTOS DE BIOETANOL DE GAIA Como se ha visto anteriormente, actualmente el bioetanol puede obtenerse mediante dos vías: la fermentación directa de azúcares simples y la hidrólisis del almidón seguida de la fermentación. Aunque el modelo con más implantación en Europa es el segundo, las numerosas ventajas que presenta el primero (no necesidad de cereales como materia prima, menores costes, etc) hacen que aumente su cuota de mercado en el mundo y en Europa. Actualmente los principales cultivos para la obtención de bioetanol mediante fermentación directa son la caña de azúcar (líder mundial), la remolacha azucarera y el sorgo dulce. El sorgo dulce o azucarero es un cultivo con muchas similitudes con la caña de azúcar, y que presenta la ventaja de que sus menores necesidades hídricas le permiten ser apto para el cultivo en prácticamente cualquier terreno cultivable mundial. En GAIA trabajamos actualmente en dos proyectos de plantas de producción de bioetanol con gestión integrada de los cultivos. Ambos se abastecen de caña de azúcar obtenida mediante tratamiento genético y se localizan en Portugal y México, con una capacidad diaria de 250.000 y 500.000 lts respectivamente de producción de bioetanol anhidro. A continuación mostramos una breve descripción de las plantas y la tecnología empleada:
1. Línea de molienda de caña y obtención de sirope fermentable. Es la primera parte del proceso de obtención de bioetanol. La caña llegada de la plantación, debidamente gestionada y realizadas las sucesivas zafras en su punto óptimo En lo sucesivo se considerará un 14% de azúcar fermentable en el jugo de la caña como base para el dimensionamiento de esta fase. 1.a. Primera Etapa. Crushing de la caña y dilución de los sólidos presentes en el jugo. Se parte de los siguientes supuestos: Eficiencia del proceso de fermentación Eficiencia del proceso de destilación Obtención bioetanol 99,85% /tonelada de jugo de caña Azúcares fermentables en el jugo
90% 98,8% 78-80 litros 14% w/w
En virtud de lo anterior: Capacidad de molienda (Toneladas de caña por día) 8.000 TCD Capacidad de trasiego de jugo de caña (Toneladas de jugo por día) 6.300 TJD
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Las instalaciones básicas son: -Columna de descarga de caña. -Tándem de molienda. 1.b.Segunda Etapa. Obtención de sirope En esta primera etapa las 6.300 TJD sufren un proceso de calentamiento mediante vapor, tratamiento de la acidez y clarificación del jugo hasta obtener sirope (jarabe) ya con un 55% w/w de azúcares fermentables. Obtención de bioetanol 99,85% /tonelada de sirope 315-319 litros Capacidad de trasiego de sirope (toneladas/dia) 1.580 TSD A fin de dotar a la planta de una autonomía suficiente (unos 45 días, considerando el período entre zafras), se la dotará de un parque de almacenamiento de sirope de 40.000 toneladas. Las instalaciones básicas son: -Estación evaporadora. -Unidad de clarificación. -Torre de enfriamiento para evaporadores. -Tanques de almacenamiento de sirope. 2 Tercera Etapa. Fermentación. El sistema que se propone es el de fermentación continua, llamado CMB (continuous mixed bed fermentation), la cual es la más avanzada y testeada tecnología en fermentadores. Frente a la antigua fermentación por tandas presenta innumerables ventajas, sobre todo en tamaños de proceso como este, donde la economía de escala obliga a decantarse por este sistema. El sirope es tratado previamente a su entrada al fermentador, eliminando los restos de lodos que hayan quedado tras la clarificación y que dañarían el fermentador además de reducir la eficiencia del proceso. La fermentación es producida por un cultivo de bacterias, el cual es periódicamente reactivado en vasijas especiales. Para ayudar al proceso se introduce nitrógeno en forma de Urea o DAP (Diammonium Phosphate). Un sistema de recirculación entre el reactor y la torre de destilación optimiza el rendimiento del proceso, situándolo entre el 90-91% en función del contenido en azúcares fermentables de la caña. Al tiempo intercambiadores de calor planos mantienen la tempera óptima para la fermentación y un sistema de aireación introduce el oxigeno necesario a la vez que agita el sustrato favoreciendo el contacto entre levaduras y azúcares.
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Las magnitudes de flujo se reflejan en la siguiente tabla: Agua de proceso (metros cúbicos/día) Dióxido de carbono extraído (toneladas/día) Volumen de vinaza (lavado fermentado) enviado a destilación (toneladas/dia) Entrada de recirculación desde la torre de destilación (toneladas/día) Lodos extraídos (toneladas/día) Porcentaje de alcohol en vinaza Tiempo medio de residencia en el reactor (horas)
3.600 m3 400 T/D 6.000 T/D 1000 T/D 12 T/D 8,5% v/v 24-36 h
3. Cuarta Etapa. Destilación. La vinaza obtenida en la etapa anterior presenta una concentración de etanol baja (8,5% v/v). Esto es inherente al proceso de fermentación alcohólica, puesto que a concentraciones mayores de alcohol mueren las levaduras. Debido a esto, para conseguir etanol de elevada pureza ha de destilarse el lavado fermentado. La destilación fraccionada se produce al vacío, obteniéndose múltiples ventajas frente a la destilación atmosférica. La principal es el ahorro energético que supone reducir el punto de ebullición de la mezcla. Frente a la destilación a t m o s f é r i c a s u p o n e u n a h o r r o d e l 5 0 % d e l va p o r n e c e s a r i o . La columna de destilación Primaria (Mash) funciona en vacío y es calentada usando los vapores de la segunda columna, la de Rectificación, que opera a una presión ligeramente superior. De esta segunda columna extrae el vapor utilizado en la columna primaria. La vinaza procedente del fermentador (mash) es precalentada en la parte superior de la columna Primaria en dos etapas (beer exchanger y plate exchanger) antes de ser introducido en la columna. A partir de ahí la mezcla desciende, pasando de bandeja a bandeja en contracorriente con el vapor ascendente. El alcohol y otros productos son evaporados y posteriormente condensados separadamente. El etanol de esta forma obtenido cumple las más exigentes normas de calidad como son el US Pharmacopoeia, British Pharmacopoeia y los standards japoneses. Existe un circuito de recirculación entre el fermentador y la columna de destilación, de manera que parte del lavado no vaporizado en el destilador es devuelto al fermentador. Al mismo tiempo, una parte importante del lavado (o mash) restante tras la extracción de los alcoholes es enviado a la unidad de obtención de biogás, que más tarde se describirá.
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2.4. Quinta etapa. Deshidratación. Una vez llegada la mezcla de alcohol etílico y agua a la proporción 96-4, como máximo en concentración alcohólica, se forma lo que se llama mezcla azeotrópica. Esto supone que pasan a tener el mismo punto de ebullición. De esta forma, al alcanzarse los 78,45 ºC (temperatura de ebullición del etanol a presión atmosférica) el alcohol no vaporiza separadamente del agua (cuyo punto como todos sabemos es 100 ºC) sino que cambia de fase arrastrando este 4% de agua. Además de agua, en este 4% (o más) de impureza en el etanol se pueden encontrar trazas de otras sustancias, que son separadas en la deshidratación. El proceso elegido para elevar la pureza de este etanol al 99,85 %, nivel al que es aplicable a los motores de combustión interna de ciclo Otto, es la separación mediante lecho molecular de zeolitas. Las zeolitas son aluminosilicatos cristalinos sintéticos. Este material tiene gran afinidad por el agua. Gracias al distinto tamaño de las moléculas de agua (más pequeña) y etanol (más grande) la molécula de agua penetra en los poros de la zeolita, cuando ésta está en frío. Cuando son calentadas, las zeolitas expulsan el agua absorbida, regenerándose de este modo y volviendo a introducirse en el deshidratador. Este sistema elegido para deshidratar se caracteriza por requerir una mayor inversión que otros, pero reduce las necesidades de vapor y energía. Esta es la causa de que, para estas cantidades de producción, la opción más rentable sea la elegida. 2. Instalaciones Adicionales Las 5 etapas del proceso de obtención de bioetanol en unos casos necesitan y en otros son convenientemente completadas o mejoradas, mediante una serie de sistemas auxiliares que optimizan la planta. La más importante de ésta es seguramente la planta de cogeneración. En los procesos anteriores se ha observado que se necesitan grandes cantidades de vapor tanto para la evaporación del jugo de caña como para la fermentación, destilación y deshidratación. A causa de esto la planta precisa necesariamente de un sistema de generación de vapor mediante calderas. El sistema más extendido en este tipo de industrias consiste en emplear como combustible para estas calderas el propio bagazo (residuo seco de la molienda) y el biogás obtenido a partir de los restos orgánicos extraídos del destilador.
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Además, en pos de optimizar los recursos, es común incluir plantas de cogeneración mediante calderas de alta presión y turbinas de gran potencia que permiten obtener también energía eléctrica para cubrir las necesidades de la planta y vender el excedente a la red pública. 2.1 Planta de cogeneración. Balance energético de uso Bagazo/Biogas para Cogeneración
El esquema definido arriba es solamente una alternativa de entre múltiples combinaciones entre porcentaje de venta energía eléctrica/ pellets en función del interés del cliente, teniendo en cuenta la disponibilidad en el mercado de una turbina de potencia adecuada a la producción de electricidad deseada. En función de la proporción elegida entre producción de pellets y electricidad, el tamaño de la turbina y el generador síncrono oscilará entre 10 y 20 Megavatios, s i e n d o s i e m p r e d e f a b r i c a n t e s l í d e r e s c o m o S i e m e n s o AV K .
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2.2.Torres de enfriamiento. Tanto la evaporación del jugo de caña como la fermentación y destilación necesitan sendas torres de enfriamiento para el vapor utilizado en el proceso: La torre destinada a la evaporación del jugo dependerá en buena medida de las características de la caña. Un diseño preliminar de las otras dos ofrece los siguientes parámetros de funcionamiento: 2.3. Planta de tratamiento de aguas residuales y obtención de biogás. El lavado fermentado y destilado (spent wash) contiene una gran cantidad de sustancias contaminantes que no podrían ser vertidas a río o mar sin una depuración previa, conformando lo que se denomina aguas residuales. Al tiempo, por ser la mayoría de éstas de origen orgánico, constituye una excelente fuente de obtención de biogás (con aplicación energética a la caldera). Los parámetros básicos de funcionamiento de esta planta de tratamiento serían lo siguientes: El biogás producido es colectado en la parte superior del reactor y enviado a un recipiente construido separadamente. De ahí, una vez comprimido es enviado a la caldera de cogeneración. Se obtienen aproximadamente 0,53 m3 de biogás por Kg de COD removido. Así, la producción estimada es de 150.000 m 3 de biogás al día. La estación depuradora de aguas no solamente depura el agua residual de los procesos, puesto que el propio agua depurada en el proceso no es suficiente para las necesidades de la planta (por no ser un circuito cerrado, sino que existen pérdidas en forma de vapor, etc) sino que también se abastece de agua de río. Esta agua (residuales depuradas y de río) pasan un proceso de clarificación, filtrado por arena y filtrado por carbón que las hace aptas para ser distribuidas (ya sin ninguna traza de restos minerales que dañarían los equipos) a: -Torres de enfriamiento y destilación.
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2.4. Parque almacenamiento de etanol. Si la planta está ubicada en puerto, y por tanto la producción es evacuada mediante buques (tipo Chemical Tanks) es necesario tener una capacidad de almacenamiento de la producción que optimice los costes logísticos del transporte marítimo. Por otro lado, si la planta está ubicada en el interior y la producción ha de ser evacuada por ferrocarril o carretera, es también recomendable tener una capacidad de almacenamiento que funcione como pulmón, a fin de que coyunturas adversas (huelgas de transportes, etc) no obliguen a parar la producción, lo que supondría unos costes enormes y abocaría a un flujo de caja negativo durante un cierto período. Se estima preliminarmente un período de 45 días, y en base a esto se diseña y realiza la propuesta económica. Diversas condiciones serán decisivas a la hora de dimensionar los tanques: -Disponibilidad de terreno. -Capacidad portante del terreno. -Análisis determinístico -probabilístico de período medio de residencia del bioetanol en tanques. Partiendo de éstas y otras variables se decidirá el número de tanques a utilizar, cuyo orden de magnitud arrancará probablemente en 4.000 m 3 . 2.5. Planta de Compostaje (Opcional) Los restos orgánicos extraídos del fermentador y del reactor de obtención de biogás son transformados en compost, el cual sirve de abono para la plantación cañera. El compost o mantillo se obtiene como resultado de un proceso de humificación de la materia orgánica, bajo condiciones controladas y en ausencia de suelo. El compost es un nutriente para el suelo que mejora la estructura y ayuda a reducir la erosión y ayuda a la absorción de agua y nutrientes por parte de las plantas. Aporta al cultivo las siguientes ventajas: -Mejora las propiedades físicas del suelo. La materia orgánica favorece la estabilidad de la estructura de los agregados del suelo agrícola, reduce la densidad aparente, aumenta la porosidad y permeabilidad, y aumenta su capacidad de retención de agua en el suelo. Se obtienen suelos más esponjosos y con mayor retención de agua. -Mejora las propiedades químicas. Aumenta el contenido en macronutrientes N,P,K, y micronutrientes, la capacidad de intercambio catiónico (C.I.C.) y es fuente y almacén de nutrientes para los cultivos. -Mejora la actividad biológica del suelo. Actúa como soporte y alimento de los microorganismos ya que viven a expensas del humus y contribuyen a su mineralización. La población microbiana es un indicador de la fertilidad del suelo.
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2.6.Planta de Dióxido de Carbono (Opcional) El proceso de fermentación produce una cantidad de dióxido de carbono aprovechable. Mediante enfriamiento a lata presión se solidifica el gas, obteniéndose el denominado Hielo seco .Las aplicaciones de este producto son numerosas: - de muestras de o . -Transporte de elementos congelados, como , , etc. -Refrigeración de alimentos, equipos electrónicos, motores térmicos de alto rendimiento -Espectáculos en los que se ve en el suelo (en este caso se combina el hielo seco con agua). -Pulido de gomas o plásticos (al enfriarlos se comportan como elementos rígidos).
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2.7.Laboratorio de micropropagación de caña en biorreactores (Opcional) La micropropagación de cultivos perennes ha revolucionado la producción agronómica en los últimos años, ya que gracias a esta técnica se pueden generar clones de variedades élite en grandes cantidades, con un conjunto de beneficios adicionales respecto a la propagación tradicional. Este aumento de productividad, en plantaciones del tamaño de la presente, redunda en un ahorro de espacio, mejora del rendimiento por hectárea y reducción de la mano de obra que hacen que la inversión inicial produzca una enorme rentabilidad. La micropropagación también permite un control fitosanitario estricto, en especial en lo que se refiere a la obtención de plantas libres de virus, y es una herramienta de utilidad para el fitomejoramiento. Esta técnica permite optimizar la obtención de clones resistentes y de elevada producción, en grandes cantidades y en un tiempo menor. Las condiciones de laboratorio en la que se realiza la micropropagación además permiten obtener nuevas plántulas todo el año, independientemente del factor climático (temperatura, luz, humedad, etc.) y gracias a esto se pueden abastecer los viveros durante todo el año.
Planta Madre.
Explante.
Cultivo.
Vitroplanta.
Plántula clon.
Figura 1. Esquema proceso micropropagación.
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La micropropagación es un procedimiento de cultivo de tejidos vegetales in vitro (Kyte & Kleyn 1996). El primer paso del cultivo de tejidos es tomar una porción de material vegetativo, la cual se denomina explante, y a partir de ella se desarrollará una nueva planta, gracias a las propiedades de totipotencialidad y regeneración de las células vegetales Una vez que se ha obtenido el explante, este debe ser correctamente desinfectado para evitar la proliferación de contaminantes biológicos (bacterias, hongos y levaduras principalmente) Los explantes desinfectados son trasladados a una cámara de flujo laminar (con aire filtrado, libre de microorganismos) donde se realizará la transferencia a un medio de cultivo apropiado. Una vez que el explante está en el medio, se sella el rasco de cultivo y se traslada a una cámara de crecimiento con condiciones de humedad, temperatura y fotoperiodo controladas para su desarrollo. Una vez que los explantes luego de algunas semanas en la cámara de crecimiento han desarrollado algunas raíces y hojas, es el momento de realizar el traspaso al invernadero. 2.8.Invernaderos (Opcional) Las plántulas o plantines obtenidos en la etapa anterior son transportados al invernadero. Este es uno de los pasos más difíciles de la técnica, ya que los explantes in vitro se encuentran en condiciones ambientales muy diferentes y se alimentan de manera heterotrófica (del medio de cultivo) y el estrés de adaptación a las condiciones de vivero es muy fuerte .Un porcentaje de las plántulas clonadas in vitro no sobrevive al invernadero, pero la parte que si sobrevive crece ya en condiciones normales y al cabo de unas semanas está lista para ser trasladada al campo de cultivo. Debido a la criticidad de esta etapa, se recomienda utilizar invernaderos dotados de la última tecnología, que mantengan siempre las condiciones óptimas para el desarrollo de la planta. Los invernaderos propuestos son de tipo multitúnel. Además de la estructura propia del invernadero, compuesta por pilares, arcos, capiteles, canales, sistema de sujeción de plástico, cerramientos y refuerzos, los invernaderos cuentan con los siguientes sistemas: 1. Ventilación: Ventanas cenitales en el pasillo central de cada invernadero multitúnel y otra en laterales del invernadero (con circulación de aire por convección libre). 2. Sistema de riego: Carros de riego sobre bancada incluyendo red de distribución, emisores, fertirrigación y cabezal de filtrado. 3. Sistema de humidificación: El sistema permite la aplicación tanto de la humidificación-refrigeración como la aplicación de tratamientos automatizados aéreos en la instalación. 4. Pantalla térmica con sistema de cremallera tubo que proporciona un sombreo del 40%. 5. Automatización. El sistema de control integrado realiza automáticamente las siguientes funciones: -Control de temperatura. -Control de ventilación (apertura/cierre automatizado de ventanas). -Control de riego.
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2.9.Sistema de peletización. Formando parte del sistema de cogeneración energético de la planta, tal como se planteó anteriormente en el diagrama de dicho sistema, existe la posibilidad de derivar un porcentaje del bagazo de caña a la fabricación de pellets para calderas. Esta alternativa queda a la decisión del cliente. Si se decide crear una unidad de pelletización, la propuesta de GAIA es, como hasta el momento, hacerlo con la tecnología más eficiente económicamente. En este sentido, las técnicas más vanguardistas de pelletización presentan las siguientes ventajas repecto a las tradicionales: -La posibilidad de paletizar materia prima con hasta un 30% de humedad sin necesidad de secado previo. -Mayor densidad (hasta 1.350 kg/m3) y dureza de los pelets obtenidos. La densidad en masa del producto permite aumentar en consecuencia la densidad energética, aspecto clave en la utilidad de cualquier combustible. -Menor consumo de energía al no precisar secado previo por debajo del 30% de humedad. Se estima el consumo entre 60-90 vatios por kilogramo.
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