Transformación directa de lignocelulosa en alcanos líquidos

[Autor: J.L.G. Fierro, Instituto de Catálisis y Petroleoquímica, CSIC, Cantoblanco, 28049  Madrid]

La conversión de biomasa lignocelulósica renovable en combustibles líquidos resulta particularmente atractiva aunque representa un verdadero reto debido a su complejidad química y extrema estabilidad química. En un estudio muy reciente titulado “Direct hydrodeoxygenation of raw woody biomass into liquid alkanes”, Nature Communications 7 (2016) doi: 10.1038/ncomms11162, se ha puesto de manifiesto que puede realizarse la hidrodesoxigenación de biomasa en alcanos líquidos con un rendimiento másico hasta 28.1% utilizando un catalizador multifuncional Pt/NbOPO4 en suspensión en ciclohexano. Este catalizador permite la conversión simultánea de fracciones de celulosa, hemicelulosa y lignina en hexano, pentano y alquilciclohexanos, respectivamente, sin ningún pretratamiento previo de la biomasa de partida.

Se estima que el consumo de los combustibles de transporte va a aumentar notablemente a lo largo de las próximas décadas, con el consiguiente deterioro ambiental asociado.  Ante tal situación, se necesitan alternativas de producción que vengan a cubrir este incremento de demanda, difícil de satisfacer mediante el crudo convencional.  A lo largo de los últimos años se han explorado con éxito varios procesos de producción basados en biomasa renovable. Los componentes principales de la biomasa son: (i)  lignocelulosa, un polímero lineal de D-glucopiranosa conectada por enlaces β-1,4-glycosidicos, es el componente principal de la biomasa (40-50%), (ii), hemicelulosa , es un heteropolímero de varios monómeros de azúcares (16-33%); y (iii), lignina, es un polímero complejo con monómeros de alcoholes cumaril, coniferil y sinapil fuertemente entrecruzados en la estructura (15-30%).  Como consecuencia de la complejidad estructural de la biomasa lignocelulósica y su resistencia química a la transformación, la eficiencia energética y el coste efectivo de producción de combustible líquidos constituyen uno de los retos más grandes de la tecnología.

Hasta la fecha se han seguido dos estrategias para abordar este proceso: (i) la separación de la lignocelulosa en azúcares aislados y lignina seguido de un procesado hidrolítico, bien químico o biológico, y (ii) tratamiento termoquímico de la lignocelulosa para producir intermedios tales como bio-aceites  (pirolisis) o gas de síntesis (gasificación), acoplados a etapas de purificación catalítica. Los procesos termoquímicos presentan la ventaja  de conversión completa pero resultan usualmente no selectivos, por otra parte, los bio-aceites o el gas de síntesis tienen que purificarse antes del proceso de utilización final. Si bien la tecnología basada en la hidrólisis ofrece producción selectiva  de combustibles líquidos, requiere varios procesos acoplados en serie con el consiguiente aumento del consumo energético. Además, la lignina originada en la hidrólisis de la lignocelulosa se quema como un combustible de escaso valor.

Aún con las dificultades mencionadas, se han puesto en marcha estrategias alternativas selectivas y eficientes para convertir el sustrato lignocelulósico en combustibles líquidos. La conversión directa de lignocelulosa en alcoholes y fenoles se ha realizado recientemente. Sin embargo, la producción directa de hidrocarburos (eliminación total de oxígeno) se consigue básicamente en la actualidad a partir de componentes separados de la lignina o la celulosa. Por ejemplo, se ha reportado un proceso en dos etapas  (pretratamiento químico e hidrogenolisis/hidrogenación) de conversión de lignina en alcanos y metanol. A nivel industrial, las empresas Shell/GTI  y Virent Energy System han establecido las tecnologías de transformación de azúcares en combustibles líquidos. La tecnología Shell se basa en un proceso termoquímico en el que el precursor reacciona a temperatura relativamente elevada (350–540 °C). En cambio, el proceso Virent convierte los compuestos oxigenados solubles en agua en hidrocarburos C4+, alcoholes y cetonas en fase acuosa o en fase de vapor. Esto se consigue mediante reformado de compuestos oxigenados solubles en agua, seguido de condensación y desoxigenación. Más recientemente se ha utilizado un sistema de tres catalizadores que convierten el material celulósico en alcanos líquidos.

Muy recientemente, un equipo multidisciplinar liderado por el Dr. Q. Xia del Research Institute of Industrial Catalysis, Shanghai (China), con la colaboración del STFC Rutherford Appleton Laboratory, Oxfordshire (UK) y la School of Chemistry, University of Nottingham, Nottingham (UK) realizó el estudio “Direct hydrodeoxygenation of raw woody biomass into liquid alkanes”, Nature Communications 7 (2016) doi: 10.1038/ncomms11162. En este trabajo se utilizó un catalizador  Pt/NbOPO4 multifuncional que convierte directamente la biomasa lignocelulósica en alcanos líquidos con rendimiento elevado. El proceso que se realiza en una sola fase (ciclohexano),  convierte fracciones de celulosa, hemicelulosa y lignina en hexano, pentano y alquilciclohexanos, respectivamente (Figura 1), lo que representa la conversión directa de lignocelulosa en alcanos líquidos bajo condiciones suaves de reacción y un solo catalizador. Además, este proceso no requiere ningún pretratamiento químico de la biomasa de partida, lo que conlleva un ahorro energético importante comparado con las tecnologías termoquímicas e hidrolíticas existentes.

 

 

 Figura 1. La biomasa puede convertirse directamente en alcanos líquidos sobre un catalizador de Pt/MbOPO4 en suspensión en ciclohexano. Las fracciones de celulosa, hemicelulosa y lignina producen respectivamente hexanos, pentanos y alquilciclohexanos.

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