Catalizadores ácidos basados en Nb2O5 para procesos sostenibles en biorrefinerías: producción de biodiésel, acroleína y furfural

Abstract

En la actualidad, se pretende sustituir gran parte del consumo energético mundial basado en los combustibles fósiles por energía procedente de fuentes renovables. En este sentido, el uso de la biomasa como energía alternativa resulta muy interesante ya que a partir de ella pueden obtenerse tanto biocombustibles como productos de alto valor añadido, llevándose a cabo estas transformaciones en las biorrefinerías, en las que encontramos distintas plataformas, como son la plataforma oleoquímica y la plataforma de azúcares. En la plataforma oleoquímica, se obtiene principalmente biodiésel mediante la transesterificación de aceites vegetales con un alcohol de cadena corta, que suele ser metanol. Aunque actualmente se emplean catalizadores homogéneos básicos a nivel industrial para esta reacción, no son adecuados cuando el aceite de partida contiene agua y/o ácidos grasos libres, ya que se produce la formación de jabones que dificultan la separación del biodiésel y que encarece el proceso. Por tanto, resulta necesario el desarrollo de catalizadores sólidos ácidos que permitan solucionar estos inconvenientes y que puedan además reutilizarse. Asimismo, en el proceso de producción de biodiésel se obtiene glicerol como subproducto, por lo que debido al incesante aumento de la producción de biodiésel en los últimos años, se están generando gran cantidad de excedentes de glicerol. Así, es necesaria la valorización del glicerol, el cual puede transformarse a productos de alto valor añadido como la acroleína. La acroleína es un producto químico muy versátil en la industria química y puede obtenerse mediante la deshidratación de glicerol en presencia de un catalizador ácido. Por otro lado, en la plataforma de azúcares de una biorrefinería pueden producirse una gran variedad de productos químicos, entre los que destaca el furfural debido a la gran variedad de aplicaciones industriales que presenta y a la gran cantidad de productos que pueden obtenerse a partir de él. El furfural se produce mediante la deshidratación de D-xilosa en presencia de un catalizador ácido. Por lo tanto, es necesario el desarrollo de nuevos catalizadores sólidos ácidos para estos procesos de conversión de biomasa. Recientemente, el interés en catalizadores basados en óxido de niobio se ha incrementado, ya que presenta importantes propiedades ácidas y es insoluble en agua. Sin embargo, el Nb2O5 posee una baja área superficial, por lo que es interesante soportarlo sobre otros materiales con mayor superficie específica o sintetizar un óxido de niobio mesoporoso, para incrementar el número de sitios activos disponibles. En consecuencia, el principal objetivo de la presente Tesis Doctoral es la síntesis y caracterización de catalizadores basados en Nb2O5 y el estudio de su actividad catalítica en la producción de biodiésel a partir de aceite de girasol, en la deshidratación de glicerol a acroleína y la deshidratación de D-xilosa a furfural, ya que se ha expuesto que estas reacciones requieren la presencia de un catalizador ácido. Así, se han preparado distintos catalizadores basados en Nb2O5 soportado sobre materiales mesoporosos e, incluso, un Nb2O5 mesoporoso, y se ha comprobado que la acidez de los catalizadores depende del contenido en Nb2O5 y que, aunque el óxido de niobio se considera un sólido ácido de tipo Lewis, se generan centros ácidos de Brönsted cuando se soporta sobre sílice o sobre alúmina. Asimismo, se ha demostrado que estos catalizadores son activos en las reacciones estudiadas, obteniéndose rendimientos interesantes en los productos deseados (95% en biodiésel en presencia de un catalizador basado en un 8% Nb2O5 sobre una sílice mesoporosa tipo MCM-41, 45.8% en acroleína con un catalizador con un 8% Nb2O5 sobre una sílice mesoporosa tipo SBA-15 dopada con circonio y tratado con H3PO4, 72% en furfural en presencia de un catalizador basado en un 16% Nb2O5 sobre una sílice mesoporosa tipo SBA-15).