Furanos de origen renovable: una estrategia para el escalado de procesos industriales sostenibles
Proyecto BIVALIA
Silvia Morales de la Rosa. Instituto de Catálisis y Petroleoquímica (CSIC)
s.morales@csic.es
La transición hacia una industria química descarbonizada y sostenible requiere algo más que nuevas materias primas: necesita procesos robustos, escalables y compatibles con la operación industrial real. En este contexto, la producción sostenible de furano a partir de biomasa representa una de las rutas más prometedoras dentro de la química renovable y economía circular.
La investigadora Dra. Silvia Morales de la Rosa del grupo de investigación BIOREF-ICP-CSIC, perteneciente al Instituto de Catálisis y Petroleoquímica del CSIC, analiza en profundidad la optimización de la descarbonilación en fase de vapor de furfural empleando catalizadores de Pd soportados sobre γ-Al₂O₃ modificados, operando en condiciones cercanas a la industria.
Dentro del marco del proyecto BIVALIA-CM, financiado por la Comunidad de Madrid, se ha realizado y publicado este reciente trabajo en la revista Biofuel Research Journal, titulado “Enhancing sustainable furan production from biomass: Influence of support cations on Pd-catalyzed furfural decarbonylation under industrially relevant conditions”, (DOI). En él se aborda un reto clave: cómo producir furano de forma eficiente, selectiva y estable bajo condiciones cercanas a la operación industrial.
¿Por qué es importante el furano? La importancia del furano y sus rutas de producción
El furano es un intermediario químico clave en la síntesis de disolventes verdes, polímeros y resinas, materiales avanzados, productos farmacéuticos, adhesivos, agroquímicos, precursores para la producción de los disolventes tetrahidrofurano (THF), 2-metiltetrahidrofurano (2-MeTHF), entre otros. Además, su estructura está presente en numerosos compuestos bioactivos, y es base estructural de combustibles avanzados derivados de la biomasa.
Tradicionalmente, el furano se ha producido a partir de derivados fósiles. Sin embargo, la vía renovable basada en biomasa ha ganado un enorme interés en los últimos años. El furano se puede producir a partir de biomasa lignocelulosa, en concreto a partir de furfural, una de las doce moléculas plataforma más relevantes derivadas de biomasa lignocelulósica. El furfural se obtiene principalmente a partir de hemicelulosas presentes en residuos agrícolas como mazorcas de maíz, cáscaras de arroz, bagazo de caña y residuos forestales y actualmente se produce a escala industrial. Por todo ello, el furano se convierte en una molécula plataforma renovable, clave para sustituir derivados del petróleo en la industria química. Lo que le hace un compuesto clave en la economía circular y química sostenible.
Las principales rutas para la producción de furano son: a) a partir de la descarbonilación catalítica del furfural en fase vapor, que es la vía renovable más directa y eficiente y es la vía que se propone en este trabajo, o b) a partir de una hidrogenación y posteriores transformaciones químicas.
¿Por qué es clave operar bajo presión?
Muchos estudios académicos sobre descarbonilación de furfural se han realizado a presión atmosférica y temperaturas moderadas (<200 °C). Sin embargo, estas condiciones no son representativas de la industria. Operar a presiones moderadas (≈10 bar) y temperaturas de 300–350 °C presenta varias ventajas estratégicas:
- Mejora la integración con etapas posteriores del proceso
- Facilita la recuperación de un producto altamente volátil como el furano
- Permite un diseño más realista de procesos continuos
- Favorece la viabilidad económica del escalado
Sin embargo, trabajar bajo presión también introduce retos importantes que hay que superar:
- Mayor competencia entre rutas de hidrogenación y descarbonilación
- Actividades catalíticas menores que a presión atmosférica
- Incremento de la cobertura superficial de hidrógeno
- Mayor tendencia a la formación de coque lo que desactiva el catalizador más rápido
- Riesgo de sinterización del metal activo
Por ello, conseguir una selectividad alta y estabilidad bajo presión es un paso decisivo hacia la implementación industrial.
En nuestro estudio, conseguimos mantener una conversión del proceso del 95 % y selectividades del 99 %, hasta 200 horas en operación mediante ciclos de reacción de regeneración del catalizador mediante el uso de un catalizador de g-alúmina basado en paladio y modificado en el laboratorio con potasio para mejorar su actividad catalítica en la descarbonilación. Estos catalizadores sintetizados presentan un conjunto de características que les confiere una estabilidad significativamente superior en comparación con otros sistemas reportados en la literatura. Entre ellas, destaca la notable reducción de los sitios ácidos, lo cual se asocia con una mejora en su actividad catalítica y una menor tendencia a la desactivación, mejoran la interacción metal–soporte, las nanopartículas de Pd están altamente dispersas (~1.8 nm) y además se produce una modificación de la estructura electrónica del Pd con la adición de potasio.
Otro reto que aborda nuestro trabajo es demostrar que incluso la pureza del furfural influye decisivamente en la estabilidad del proceso, ya que el furfural envejecido favorece la formación de coque.
El enfoque de este proceso desde biomasa lignocelulósica realmente escalable para una producción sostenible de moléculas de valor añadido como el furano, dependerá de varios factores como la pureza del compuesto de partida, en este caso del furfural renovable, el diseño del sistema catalítico capaz de operar bajo condiciones realistas de presión y temperatura manteniendo una alta conversión, una selectividad cercana al 100 %, una estabilidad prolongada y regenerabilidad sencilla bajo 10 bar. Estos factores suponen un paso clave hacia la implementación industrial de la descarbonilación de furfural marcando la diferencia con otros procesos.
