ES2209430T3 - Procedimiento para la produccion de hidrogeno y energia electrica a partir del reformado de bioetanol. - Google Patents

Procedimiento para la produccion de hidrogeno y energia electrica a partir del reformado de bioetanol.

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ES2209430T3 ES99919449T ES99919449T ES2209430T3 ES 2209430 T3 ES2209430 T3 ES 2209430T3 ES 99919449 T ES99919449 T ES 99919449T ES 99919449 T ES99919449 T ES 99919449T ES 2209430 T3 ES2209430 T3 ES 2209430T3
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Abstract

Un procedimiento para producir hidrógeno y energía eléctrica sin emisión de contaminantes a partir de etanol obtenido de una biomasa, que comprende las etapas de: (a) proveer unas soluciones acuosas de etanol en una concentración de aproximadamente 8 a 12% provenientes de fermentación de una biomasa; (b) separar agua de la solución acuosa de etanol, de manera que la solución acuosa de etanol contenga aproximadamente 40 a 70% en peso de etanol; (c) mezclar una parte de la solución acuosa de etanol obtenida según la etapa (b) con aire u oxígeno para formar una mezcla, de tal manera que la proporción de moles de oxígeno por mol de etanol esté entre 0, 0 y 0, 5; (d) suministrar el etanol acuoso obtenido según la etapa (b) y la mezcla que contiene etanol acuoso y aire u oxígeno según la etapa (c) a un reactor térmicamente aislado, que comprende una envoltura térmicamente aislada y tubos cerámicos o metálicos, que comprenden una pared de tubo en cuya área interna y en cuya área externa se colocan catalizadores que catalizan el etanol reformado para obtener una mezcla gaseosa que contiene dióxido de carbono e hidrógeno, y que catalizan etanol oxidante para obtener agua, dióxido de carbono, hidrógeno, con liberación de calor, en el que cada uno de los catalizadores es el mismo o diferente; (e) reformar adiabáticamente y oxidar parcialmente el etanol acuoso y la mezcla que contiene etanol acuoso y aire u oxígeno, respectivamente, en el reactor térmicamente aislado, en el que el calor de reacción necesario para llevar a cabo el reformado del etanol acuoso es suministrado por la oxidación parcial de la mezcla que contiene etanol acuoso y aire u oxígeno, y se transporta a través de las paredes de los tubos dentro del reactor térmicamente aislado de la reacción de oxidación parcial a la reacción de reformado, para obtener la mezcla gaseosa que contiene dióxido de carbono e hidrógeno y para controlar la distribución de temperatura a lo largo de la longitud del reactor térmicamente aislado; (f) seguir el reformado del etanol acuoso en la etapa (e) para obtener la mezcla gaseosa que contiene dióxido de carbono e hidrógeno, realizando una reacción de conversión de gas de agua para convertir cualquier monóxido de carbono formado en la mezcla gaseosa durante el reformado junto con vapor de agua a hidrógeno y dióxido de carbono, o quemando el monóxido de carbono, o convirtiendo el monóxido de carbono en metano; y (g) separar el hidrógeno de la mezcla gaseosa en el reactor térmicamente aislado, y suministrar el hidrógeno a una pila de combustible para producir energía eléctrica.

Description

Procedimiento para la producción de hidrógeno y energía eléctrica a partir del reformado de bioetanol.
La presente invención se refiere a un procedimiento para la producción de hidrógeno y energía eléctrica a partir del reformado de bioetanol, con el uso de pilas de combustible y emisión nula de contaminantes. El etanol se produce a partir de biomasa que contiene azúcar y/o componentes celulósicos, que proviene de cualquier fuente. La solución acuosa de etanol (40-70% en peso) se mezcla con aire (0-0,5 moles de oxígeno por mol de etanol) y se suministra a un reactor que contiene el catalizador adecuado para que tengan lugar las reacciones de oxidación parcial y reformado de etanol. En el mismo o diferente reactor está teniendo lugar la reacción de conversión para el consumo de monóxido de carbono y producción adicional de hidrógeno.
La mezcla gaseosa que se produce de esta manera es rica en hidrógeno, que puede separarse y usarse en diferentes aplicaciones. Alternativamente, se suministra la mezcla gaseosa a una pila de combustible, preferiblemente de ácido fosfórico, o de membrana de intercambio de protones o de polímero sólido, en la que se produce energía eléctrica y calor.
No se producen emisiones perjudiciales para el medio ambiente en ninguna de las etapas del procedimiento anterior.
Campo técnico
El uso de biomasa como fuente de energía renovable se ha investigado y propuesto durante muchos años [1]. Se han aplicado internacionalmente tres medios de uso de biomasa como fuente de energía: combustión, pirólisis para la producción de combustibles gaseosos y líquidos, y fermentación para la producción de etanol. Las fuentes de biomasa pueden ser plantas que tengan ciertas características específicas y que se cultivan para este propósito, o materiales de desecho del cultivo de productos comestibles, o de agroindustria o de silvicultura. Los estudios que se han realizado en los últimos años muestran que existen cantidades y fuentes importantes de biomasa que pueden usarse para la producción de energía.
La producción de etanol a partir de biomasa, a la que a menudo se hace referencia en la bibliografía como "bioetanol", se conoce y se practica a gran escala, principalmente en Norte y Sudamérica y en Europa [2]. Los procedimientos para la producción de etanol pueden clasificarse en dos grandes categorías: los que usan materias primas que contienen azúcar - productos de cultivos energéticos (por ejemplo, sorgo azucarado) - y los que usan materias primas celulósicas que provienen de cultivos energéticos (sorgo, caña de azúcar, residuo sólido de sorgo azucarado, etc.) así como de residuos de agroindustrias. En el primer caso, los azúcares se fermentan directamente para la producción de etanol, mientras que en el segundo caso son anteriores la etapa de hidrólisis u otros procedimientos para la producción de azúcares que después se convierten en etanol por medio de fermentación [1, 2].
En R. KUMAR y colaboradores: "Fuel processing requirements and techniques for fuel cell propulsion power" ACS 206TH NATIONAL MEETING, vol. 38, nº 4, 1993, páginas 1471-1476, se describe el reformado, principalmente de metanol, con respecto a catalizadores y tipos de reformadores, para aplicación en vehículos eléctricos propulsados por pila de combustible. También se hace referencia a un experimento que concierne a reformado con vapor de etanol, que no fue muy exitoso, ya que el rendimiento de la producción de hidrógeno fue muy pequeño.
Aunque la tecnología de fermentación de biomasa para la producción de etanol está madura, no se ha aplicado a gran escala, al menos en Europa, por razones económicas. Una gran parte del coste del bioetanol es el coste de separación de la solución acuosa que proviene de la fermentación y que contiene aproximadamente 8 a 10% de etanol. Para usar etanol como combustible en motores de combustión interna, la pureza requerida supera el 99%. Debido a que el etanol y el agua forman una solución azeotrópica cuando el contenido de etanol es aproximadamente el 95%, la purificación adicional requiere técnicas que consumen energía, cuya aplicación incrementa considerablemente el coste del bioetanol.
Breve descripción de la invención
El propósito de la presente invención es usar etanol que se produce a partir de biomasa para la producción de energía sin la necesidad de esta separación de agua a gran escala. Con el nuevo procedimiento que se presenta, el coste de producción de etanol se reduce considerablemente mientras que, simultáneamente, el rendimiento termodinámico de su uso se incrementa considerablemente (con la aplicación de pilas de combustible) y se eliminan los contaminantes gaseosos que se producen durante su combustión (por ejemplo, en motores de combustión interna).
Según la presente invención, una mezcla de etanol, oxígeno y agua reacciona y produce hidrógeno y dióxido de carbono, y el hidrógeno se suministra a una pila de combustible que produce energía eléctrica a partir de la oxidación electroquímica de hidrógeno a agua. El reformado de etanol con agua que se describe mediante la reacción:
(1)C_{2}H_{5}OH + 3H_{2}O \rightarrow 2CO_{2} + 6H_{2} \ \Delta H = +23,7 \ kJ/mol
ha sido poco investigado, a diferencia del reformado de metanol. Se ha informado de que el reformado de etanol por un catalizador de cobre de un Pd/ZnO produce ácido acético, acetaldehído, H_{2} y productos más pesados que contienen oxígeno [3]. También se produce acetaldehído cuando la reacción está teniendo lugar sobre catalizador de Ni y Pt soportado sobre MgO[4]. Se ha informado de reformado completo de etanol con catalizador de Ni que, sin embargo, desactiva rápidamente, probablemente debido a deposición de carbono [5]. La reacción de reformado de etanol con agua (Reacción 1) es endotérmica y, por consiguiente, se requiere suministro de calor al reactor. La manera más sencilla de lograr esto es el suministro conjunto de oxígeno (aire) junto con la mezcla etanol-agua sobre un catalizador adecuado, para que se oxide a CO_{2} y H_{2}O una pequeña parte de etanol, que produce el calor necesario para las reacciones de reformado:
(2)C_{2}H_{5}OH + 1/2O_{2} + 2H_{2}O \rightarrow 5H_{2} + 2CO_{2} \ \Delta H = -20 \ kcal/mol
Hasta donde sabemos, no ha aparecido ningún estudio en la bibliografía que haga referencia a la oxidación parcial/reformado de etanol.
Según la invención que se presenta, el hidrógeno que se produce a partir de la oxidación parcial/reformado de etanol se suministra a una pila de combustible para la producción de energía eléctrica. Las ventajas de las pilas de combustible son la emisión nula de contaminantes, ya que el único producto de la combustión de hidrógeno es agua, y el rendimiento termodinámico mejorado en comparación con motores de combustión interna.
Las pilas de combustible son una innovación que encuentra aplicaciones en la producción de energía eléctrica sin la emisión de contaminantes, que consumen hidrógeno como combustible que se oxida electroquímicamente con oxígeno, con producción simultánea de energía eléctrica [6]. El rendimiento de las pilas de combustible está próximo al 70% del calor que corresponde a la combustión de hidrógeno, es decir, es el doble del rendimiento de motores térmicos, que está sometido a las restricciones termodinámicas del tipo Carnot. Existen cinco tipos de pilas de combustible, que se diferencian en el tipo de electrolito y en la temperatura de funcionamiento: 1) De ácido fosfórico, que es el tipo más avanzado comercialmente y funciona a temperaturas de alrededor de 200ºC. Producen energía eléctrica con rendimiento de 40 a 80% [7]. 2) De membranas de intercambio de protones o polímeros sólidos, que funcionan a bajas temperaturas, aproximadamente 100ºC, y ofrecen gran energía por unidad de volumen con respuesta rápida a demandas de energía [8]. 3) Pilas de combustible de óxido sólido, que pueden usarse en aplicaciones en las que se requiere gran energía y funcionan a aproximadamente 1000ºC [9]. 4) De sales de carbonato fundido, cuyo electrolito se compone de sales de carbonato fundido de Li y K, el combustible es hidrógeno y CO, y la mezcla oxidante se compone de oxígeno y CO_{2}. Funcionan a temperaturas de 600ºC, con un gran rendimiento de combustible sobre la producción de energía [9]. 5) Alcalinas, que se usaron en aplicaciones espaciales y producían energía con un rendimiento de aproximadamente 70%, funcionando a temperaturas entre 60-150ºC.
Descripción de los dibujos
Figura 1 Diagrama esquemático del procedimiento de producción de hidrógeno y energía eléctrica a partir de biomasa con una emisión nula de contaminantes. La primera parte del procedimiento concierne a la producción de etanol a partir de biomasa y la separación de una parte del agua para obtener una concentración de etanol de 50-60% en peso. La segunda parte concierne a las reacciones de oxidación parcial/reformado y conversión de etanol para la producción de hidrógeno y su separación del CO_{2} si fuera necesario. La tercera parte concierne a la producción de energía eléctrica usando pilas de combustible
Figura 2 Diagrama esquemático de un reactor adecuado para reacciones de oxidación parcial/reformado de etanol. El reactor se compone de un haz de tubos cerámicos o metálicos. En la superficie interna de los tubos se deposita el catalizador de oxidación parcial en forma de película delgada, mientras que en la superficie externa se deposita el catalizador de reformado. El reactor ofrece una elevada estabilidad térmica y funcionamiento seguro con altas temperaturas.
Descripción de la realización propuesta
El procedimiento de producción de hidrógeno y energía eléctrica que se inventa se presenta de manera gráfica en la Figura 1. La primera parte del procedimiento concierne a la producción de etanol por medio de fermentación de azúcares que se obtienen directamente a partir de biomasa, o que se producen a partir de materias primas celulósicas de biomasa o a partir de cualquier tipo de biomasa adecuada que sea un subproducto o producto de desecho de industrias implicadas en procesamiento de productos agrícolas o forestales. El procedimiento de fermentación de azúcares y producción de etanoles se conoce y se aplica industrialmente a gran escala [1, 2]. El etanol que se produce por fermentación está contenido en solución acuosa en concentraciones de aproximadamente 8-12%. Después se destila la solución acuosa para incrementar el contenido de etanol al nivel del 50-60% en peso. La energía que se requiere para la destilación se obtiene del reactor de oxidación parcial/reformado (ver Figura 1). También es bien conocido el procedimiento de destilación, y se aplica a gran escala en industrias químicas y petroquímicas.
La solución acuosa que contiene etanol se suministra posteriormente al reactor de oxidación parcial/reformado, en el que se suministra aire simultáneamente con un caudal tal que las cantidades de etanol y oxígeno estén en proporción estequiométrica según la Reacción 2. Por supuesto, las cantidades de oxígeno (aire) que se suministran al reactor pueden ser menores o mayores que la proporción estequiométrica, dependiendo de las características derivadas de la reacción, principalmente el calor de reacción. Para las reacciones de oxidación parcial/ reformado de etanol se requiere un catalizador adecuado, que debe ser suficientemente activo y estable en el tiempo de uso y especialmente selectivo para producción de hidrógeno. Tal catalizador puede contener metales del Grupo VIII de la Tabla Periódica, o metales/óxidos metálicos de los Metales de Transición o combinación de los anteriores, por sí mismos o soportados sobre diferentes portadores que se usan para este propósito. Un buen catalizador para la oxidación parcial/reformado de etanol es un catalizador que contenga Ni disperso en un portador de óxido de lantano, que se describe en una Solicitud de Patente [10]. Otro buen catalizador se compone de metales del Grupo VIII de la Tabla Periódica dispersos en un portador de óxido de titanio dopado con cationes de tungsteno (W) [11].
Es deseable una elevada selectividad hacia el CO_{2}en la reacción de reformado, ya que al menos algunos tipos de pilas de combustible no funcionan eficazmente cuando el suministro contiene CO en concentración superior a 20-100 ppm, debido a la contaminación del electrodo de platino. Como la concentración de CO en la salida del reactor de oxidación parcial/reformado será superior a 100 ppm, se requiere el procesamiento del gas en un reactor de conversión, en el que está teniendo lugar la siguiente reacción:
(3)CO + H_{2}O \leftrightarrow CO_{2} + H_{2} \ \Delta H = -10 \ kcal/mol
La reacción de conversión es una reacción de equilibrio y la conversión de CO se incrementa con temperatura reducida. Esta reacción ha sido estudiada por muchos investigadores y existen diversos catalizadores eficaces para ella [2]. Si en la salida del reactor de conversión la concentración de CO es superior a 100 ppm, este debe oxidarse en presencia de un catalizador adecuado, en otro reactor al que se suministra una pequeña cantidad de oxígeno o aire. Los catalizadores de oro soportados sobre portadores escogidos son activos en la oxidación selectiva de CO en presencia de hidrógeno a bajas temperaturas [13]. También existe la solución alternativa de hidrogenación de CO a CH_{4}, una reacción que se realiza fácilmente con numerosos catalizadores.
La reacción de oxidación parcial/reformado de etanol puede tener lugar en cualquier tipo de reactor adecuado como, por ejemplo, reactor de lecho fijo, reactor de lecho fluidificado, etc. Para reacciones de este tipo, cuya primera parte es exotérmica (oxidación parcial) y la otra endotérmica (reformado) hemos desarrollado un reactor particularmente eficaz y seguro que se compone de un haz de tubos cerámicos o metálicos de pequeño diámetro que se encierran en un recipiente que se aísla térmicamente, como se presenta en la Figura 2. En el área interna de los tubos se deposita el catalizador de oxidación parcial, mientras que en el área externa se deposita el catalizador de reformado. Los dos catalizadores pueden ser el mismo o diferente. El calor que se produce por la oxidación de parte del combustible se transporta a través de la pared al área externa del tubo, donde están teniendo lugar las reacciones de reformado endotérmico, que consumen el calor transportado. De esta manera, el reactor puede funcionar adiabáticamente, se controla en gran medida la distribución de temperaturas a lo largo de la longitud del reactor, el funcionamiento del reactor es seguro, ya que no se desarrollan zonas calientes, se elimina el peligro de explosión, la caída de presión es pequeña y la productividad del reactor es elevada, debido a la optimización de la administración del calor de la reacción.
Como se muestra en la Figura 2, una gran parte de la longitud de los tubos no contiene catalizadores. Esta parte de los tubos se usa como intercambiador de calor para calentar el suministro, que se introduce a bajas temperaturas, de los productos de reacción que están a temperatura elevada. De esta manera se minimiza el volumen total del procedimiento.
La reacción de conversión puede tener lugar en el mismo o diferente reactor. En el primer caso, se deposita un catalizador para esta reacción en el área externa de los tubos. Alternativamente, pueden colocarse catalizadores en forma de partícula o gránulo en el volumen externo de los tubos si se requiere un área mayor.
La longitud de los tubos que contienen catalizadores en la superficie interna y externa, la cantidad de catalizadores sobre cada lado, el tipo o tipos de catalizadores, la longitud total de los tubos, el espacio en el que está teniendo lugar la reacción de conversión, el diámetro del recipiente de recubrimiento y otros parámetros similares se definen de tal manera para maximizar la productividad del reactor.
La reacción de oxidación parcial/reformado de etanol, con la estequeometría descrita por la Ecuación 2, es exotérmica y, por cada mol de etanol que reacciona, se producen aproximadamente 20 kcal de calor. Por supuesto, la cantidad exacta de calor que se produce puede controlarse dependiendo de la cantidad de aire u oxígeno que se suministra al reactor. El calor de esta reacción puede usarse no sólo para el precalentamiento de los reactivos (junto con el calor de los productos de la reacción) sino también en el procedimiento de destilación de la solución acuosa de etanol desde la concentración inicial de 8 a 12% hasta la concentración deseada de 50 a 60%.
El hidrógeno que se produce con la serie de reacciones que se describieron anteriormente, es decir, la oxidación parcial/reformado de etanol, la reacción de conversión y, si fuera necesaria, la reacción de oxidación selectiva de CO, se suministra a una pila de combustible en la que se oxida electroquímicamente con oxígeno, con producción simultánea de energía eléctrica y calor. Las pilas de combustible más adecuadas para la presente aplicación son las del tipo de ácido fosfórico, o de membrana de intercambio de protones, o de polímeros sólidos. El calor que se produce simultáneo con la energía eléctrica es generalmente de baja calidad, debido a las bajas temperaturas (100-200ºC), y puede usarse para el calentamiento de invernaderos, si la aplicación está teniendo lugar en el área agrícola, o edificios, si la aplicación está teniendo lugar cerca de un centro urbano.
El procedimiento para producción de hidrógeno y energía eléctrica que se describe anteriormente y se presenta esquemáticamente en la Figura 1 es un procedimiento típico en el que pueden tener lugar muchas modificaciones, dependiendo de situaciones específicas o aplicaciones específicas, sin alterar la presente invención. Lo mismo es cierto para los catalizadores y reactores de la oxidación parcial/reformado de etanol.
Citas
1. C.E. Wyman (Editor), "Handbook on Bioethanol: Production and Utilization", Taylor & Francis, 1996.
2. D.O. Hall, G. Grassi y H. Scheer (Editores), "Biomass for Energy and Industry", Proc. 7^{th} Int. Conf Biomass. Florencia, Italia, 5-9 Octubre 1992.
3. N. Takezawa y N. Iwasa, Catal. Today, 36 (1997) 45.
4. M. Morita, A. Sato y Y. Matsuda, Nippon Kagaku Kaishi, (1993) 164.
5. D. Wang, D. Montane y E. Chornet, Appl. Catal. A, 143 (1996) 245.
6. R. Friberg, Int. J. hydrogen Energy, 18 (1993) 853.
7. V. Recupero, V. Alderrucci, R. Di Leonardo, Int. J. Hydrogen Energy, 19 (1994) 633.
8. T.R. Ralph, Platinum Metals Rev., 41 (1997) 102.
9. Q.M. Nguyen, Chemtech, Enero 1992, p.32.
10. Z.L. Zhang y X.E. Verykios, "A stable and active nickel catalyst for carbon dioxide reforming of methane to synthesis gas", solicitud de patente europea 94600005.6-2104/13.07.94
11. P. Papaefthimiou, Th. Ioannidis y X. Verykios, "Catalysts for the Combustion of Volatile Organic Compounds (VOC)", solicitud de patente griega 970100021/24.1.1997.
12. F. Gottschalk, Appl Catal., 51 (1994) 127.
13. M. Haruta, Catal. Surveys de Japón, 1 (1997) 61.

Claims (5)

1. Un procedimiento para producir hidrógeno y energía eléctrica sin emisión de contaminantes a partir de etanol obtenido de una biomasa, que comprende las etapas de:
(a)
proveer unas soluciones acuosas de etanol en una concentración de aproximadamente 8 a 12% provenientes de fermentación de una biomasa;
(b)
separar agua de la solución acuosa de etanol, de manera que la solución acuosa de etanol contenga aproximadamente 40 a 70% en peso de etanol;
(c)
mezclar una parte de la solución acuosa de etanol obtenida según la etapa (b) con aire u oxígeno para formar una mezcla, de tal manera que la proporción de moles de oxígeno por mol de etanol esté entre 0,0 y 0,5;
(d)
suministrar el etanol acuoso obtenido según la etapa (b) y la mezcla que contiene etanol acuoso y aire u oxígeno según la etapa (c) a un reactor térmicamente aislado, que comprende una envoltura térmicamente aislada y tubos cerámicos o metálicos, que comprenden una pared de tubo en cuya área interna y en cuya área externa se colocan catalizadores que catalizan el etanol reformado para obtener una mezcla gaseosa que contiene dióxido de carbono e hidrógeno, y que catalizan etanol oxidante para obtener agua, dióxido de carbono, hidrógeno, con liberación de calor, en el que cada uno de los catalizadores es el mismo o diferente;
(e)
reformar adiabáticamente y oxidar parcialmente el etanol acuoso y la mezcla que contiene etanol acuoso y aire u oxígeno, respectivamente, en el reactor térmicamente aislado, en el que el calor de reacción necesario para llevar a cabo el reformado del etanol acuoso es suministrado por la oxidación parcial de la mezcla que contiene etanol acuoso y aire u oxígeno, y se transporta a través de las paredes de los tubos dentro del reactor térmicamente aislado de la reacción de oxidación parcial a la reacción de reformado, para obtener la mezcla gaseosa que contiene dióxido de carbono e hidrógeno y para controlar la distribución de temperatura a lo largo de la longitud del reactor térmicamente aislado;
(f)
seguir el reformado del etanol acuoso en la etapa (e) para obtener la mezcla gaseosa que contiene dióxido de carbono e hidrógeno, realizando una reacción de conversión de gas de agua para convertir cualquier monóxido de carbono formado en la mezcla gaseosa durante el reformado junto con vapor de agua a hidrógeno y dióxido de carbono, o quemando el monóxido de carbono, o convirtiendo el monóxido de carbono en metano; y
(g)
separar el hidrógeno de la mezcla gaseosa en el reactor térmicamente aislado, y suministrar el hidrógeno a una pila de combustible para producir energía eléctrica.
2. El procedimiento para producir hidrógeno definido en la reivindicación 1, en el que, según la etapa (g), el hidrógeno se suministra como combustible a una pila de combustible para la producción de energía eléctrica y calor.
3. El procedimiento para producir hidrógeno definido en la reivindicación 1, en el que, según la etapa (g), la pila de combustible es del tipo de ácido fosfórico, o de membrana de intercambio de protones, o de polímero sólido.
4. El procedimiento para producir hidrógeno definido en la reivindicación 1, en el que, según la etapa (d), el catalizador es un metal del Grupo VIII o un óxido de metal de transición, soportado sobre un portador o no.
5. El procedimiento para producir hidrógeno definido en la reivindicación 1, en el que, según la etapa (b), la solución acuosa de etanol contiene 50 a 60% en peso de etanol.
ES99919449T 1998-05-22 1999-05-19 Procedimiento para la produccion de hidrogeno y energia electrica a partir del reformado de bioetanol. Expired - Lifetime ES2209430T3 (es)

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