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Un nuevo proceso impulsa el bioaceite de lignina como combustible de próxima generación

Un nuevo proceso impulsa el bioaceite de lignina como combustible de próxima generación
Los árboles son una fuente de celulosa, hemicelulosas y lignina. Un nuevo proceso para convertir el bioaceite de lignina en hidrocarburos podría ayudar a expandir el uso de la lignina, que ahora es en gran parte un producto de desecho que queda de las producciones de celulosa y bioetanol. Crédito: John Toon, Georgia Tech

Un nuevo proceso multifase de baja temperatura para convertir el bioaceite de lignina en hidrocarburos podría ayudar a expandir el uso de la lignina……

por el Instituto de Tecnología de Georgia

Un nuevo proceso multifase de baja temperatura para convertir el bioaceite de lignina en hidrocarburos podría ayudar a expandir el uso de la lignina, que ahora es en gran parte un producto de desecho que queda de la producción de celulosa y bioetanol de árboles y otras plantas leñosas.

Utilizando un sistema de doble catalizador de partículas de superácido y platino, los investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia han demostrado que pueden agregar hidrógeno y eliminar oxígeno del bioaceite de lignina, lo que hace que el aceite sea más útil como combustible y fuente de materias primas químicas. El proceso, basado en un ciclo de hidrógeno inusual, se puede realizar a baja temperatura y presión ambiental, lo que mejora la practicidad de la actualización y reduce la entrada de energía necesaria.

«Desde un punto de vista medioambiental y de sostenibilidad, la gente quiere utilizar petróleo producido a partir de biomasa», dijo Yulin Deng, profesora de la Escuela de Ingeniería Química y Biomolecular de Georgia Tech y del Instituto de Bioproductos Renovables. «La producción mundial de lignina a partir de la fabricación de papel y bioetanol es de 50 millones de toneladas anuales, y más del 95% de esa cantidad se quema simplemente para generar calor. Mi laboratorio está buscando métodos prácticos para mejorar los compuestos de lignina de bajo peso molecular para hacerlos comercialmente viables como biocombustibles y bioquímicos de alta calidad «.

El proceso fue descrito el 7 de septiembre en la revista Nature Energy . La investigación fue apoyada por el Instituto de Bioproductos Renovables en Georgia Tech.

La celulosa, las hemicelulosas y la lignina se extraen de árboles, pastos y otros materiales de biomasa. La celulosa se usa para fabricar papel, etanol y otros productos, pero la lignina, un material complejo que da fuerza a las plantas, no se usa en gran medida porque es difícil de descomponer en aceites de baja viscosidad que podrían servir como punto de partida para el queroseno. o combustible diesel.

Las técnicas de pirólisis realizadas a temperaturas superiores a 400 grados Celsius se pueden utilizar para crear bioaceites como los fenoles a partir de la lignina, pero los aceites carecen de suficiente hidrógeno y contienen demasiados átomos de oxígeno para ser útiles como combustibles. El enfoque actual para abordar ese desafío implica agregar hidrógeno y eliminar oxígeno a través de un proceso catalítico conocido como hidrodesoxigenación. Pero ese proceso ahora requiere altas temperaturas y presiones diez veces más altas que las ambientales, y produce carbón y alquitrán que reducen rápidamente la eficiencia del catalizador de platino.

Deng y sus colegas se propusieron desarrollar un nuevo proceso basado en solución que agregaría hidrógeno y eliminaría el oxígeno de los monómeros del aceite utilizando un sistema catalítico de tampón de hidrógeno. Debido a que el hidrógeno tiene una solubilidad en agua muy limitada, la reacción de hidrogenación o hidrodesoxigenación del biocombustible de lignina en solución es muy difícil. El grupo de Deng usó ácido polioxometalato (SiW 12 ) como agente de transferencia de hidrógeno y catalizador de reacción que ayuda a transferir hidrógeno gaseoso de la interfase gas-líquido a la solución a granel a través de una extracción reversible de hidrógeno. El proceso luego liberó hidrógeno como una especie activa H * en una superficie de nanopartículas de platino sobre carbono, lo que resolvió el problema clave de la baja solubilidad del hidrógeno en agua a baja presión.

«En el platino, el ácido polioxometalato captura la carga del hidrógeno para formar H + que es soluble en agua, pero las cargas pueden transferirse de forma reversible a H + para formar H * activo dentro de la solución», dijo Deng. Como resultado aparente, el gas hidrógeno se transfiere a la fase acuosa para formar H * activo que puede reaccionar directamente con el aceite de lignina dentro de la solución.

En la segunda parte del inusual ciclo del hidrógeno, el ácido polioxometalato prepara el escenario para eliminar el oxígeno de los monómeros de bioaceites.

«El superácido puede reducir la energía de activación requerida para eliminar el oxígeno y, al mismo tiempo, tiene más hidrógeno H * activo en la solución, que reacciona con las moléculas de aceite», dijo Deng. «En la solución hay una reacción rápida con el átomo de hidrógeno activo H * y el aceite de lignina en la superficie del catalizador. La reacción reversible de hidrógeno con polioxometalato para formar H + y luego con el átomo de hidrógeno H * en la superficie del catalizador de platino es única ciclo reversible «.

Las partículas de platino y el ácido polioxometalato se pueden reutilizar para múltiples ciclos sin reducir la eficiencia. Los investigadores también encontraron que la eficiencia de la hidrogenación e hidrodesoxigenación del aceite de lignina variaba según los monómeros específicos del aceite.

«Probamos 15 o 20 moléculas diferentes que fueron producidas por pirólisis y descubrimos que la eficiencia de conversión variaba del 50 por ciento en el extremo inferior al 99 por ciento en el extremo superior», dijo Deng. «No comparamos el costo de entrada de energía, pero la eficiencia de conversión fue al menos diez veces mejor de lo que se ha informado en condiciones similares de baja temperatura y baja presión de hidrógeno».

El funcionamiento a temperaturas más bajas, por debajo de los 100 grados Celsius, redujo el problema de la formación de carbón y alquitrán en el catalizador de platino. Deng y sus colegas descubrieron que podían usar el mismo platino al menos diez veces sin que se deteriorara la actividad catalítica.

Entre los desafíos futuros se encuentran la mejora de la selectividad del producto mediante el uso de diferentes sistemas de catalizadores metálicos y el desarrollo de nuevas técnicas para la separación y purificación de los diferentes bioquímicos de lignina en la solución. El platino es caro y tiene una gran demanda para otras aplicaciones, por lo que encontrar un catalizador de menor costo podría impulsar la practicidad general del proceso, y quizás hacerlo más selectivo.

Si bien ayuda a satisfacer la demanda de aceites de base biológica, la nueva técnica también podría beneficiar a las industrias de productos forestales, papel y bioetanol al proporcionar una fuente de ingresos potencial para la lignina, que a menudo se quema para producir calor.

«El tamaño del mercado mundial de la lignina se estimó en 954,5 millones de dólares en 2019, que es solo una porción muy pequeña de la lignina que se produce a nivel mundial. Claramente, la industria quiere encontrar más aplicaciones para ello convirtiendo la lignina en productos químicos o bioaceites. «, Dijo Deng. «También habría un beneficio medioambiental al utilizar este material de mejores formas».


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