Development of Sn-zeolites for the chemocatalytic transformation of hemicellulosic sugars into methyl lactate
Abstract
Antecedentes La biomasa lignocelulósica representa una alternativa muy atractiva al petróleo como fuente de carbono, que además tiene origen renovable. La biomasa lignocelulósica es, por un lado, un producto abundante de la actividad agrícola y forestal, así como de otras industrias como pueden ser la papelera o la fabricación de material de construcción y mobiliario. Por otro lado, la existencia de especies vegetales de alta velocidad de crecimiento y que pueden ser cultivadas en terrenos no fértiles, ofrecen una posibilidad al cultivo ambiental y socialmente sostenible de este tipo de biomasa. Por todo ello, la disponibilidad de biomasa para su empleo en la fabricación de productos químicos, sin riesgo de competir con otros sectores, supone una gran ventaja. La biomasa lignocelulósica presenta una composición compleja, basada en tres constituyentes principales: celulosa, hemicelulosa y lignina. Esta composición compleja convierte a este tipo de biomasa en un recurso muy interesante, abriendo un gran abanico de posibles productos. Sin embargo, su uso es también un gran reto tecnológico, pues requiere de la separación de los constituyentes de la biomasa. En este sentido, se han desarrollado metodologías para lograr su valorización eficiente como los procesos de fragmentación de tipo Organosolv, basado en el uso de disolventes orgánicos para separar los tres componentes principales. La celulosa ya encuentra aplicación en la fabricación de papel, siendo uno de sus destinos principales. Por otro lado la lignina es una de las pocas fuentes naturales de compuestos aromáticos presentando un gran interés para obtener productos de alto valor añadido. Y por otro, la hemicelulosa está comprendida por subunidades de monosacáridos, lo cual la convierte en una fuente muy interesante de cara a la valorización hacia moléculas plataforma, pero requiere de costosos procesos de purificación. Entre las moléculas susceptibles de ser producidas a partir de carbohidratos, cabría destacar el lactato de metilo. Este compuesto es una molécula de gran interés como disolvente verde, así como sustrato de la formación de lactida. La lactida es un diéster cíclico obtenido mediante condensación de dos lactatos de alquilo. La lactida puede ser polimerizada mediante polimerización por ruptura de anillo dando lugar a cadenas de alto peso molecular de ácido poliláctico (PLA), un bioplástico con carácter biodegradable y no tóxico. El PLA encuentra aplicación en la impresión 3D, así como en el campo de la medicina, en la regeneración de tejidos y la fabricación de implantes El lactato de alquilo puede ser producido químicamente a partir de los monosacáridos presentes en la hemicelulosa mediante catalizadores de estaño basados en zeolitas. Estos sistemas catalíticos han sido referidos en la bibliografía como altamente activos en esta transformación, ya que permiten altos rendimientos y altas selectividades. El uso de zeolitas para la preparación de estos catalizadores permite una alta dispersión de los centros catalíticos de estaño, así como dotar al catalizador con un entorno definido, que es el poro de los catalizadores, ajustándose al tamaño de muchas moléculas, lo que los dota de una elevada selectividad de forma. Existen también pruebas fehacientes de la existencia de ciertas especies de estaño, referidas como centros de estaño “abiertos”, que presentan una mayor actividad catalítica. Ha sido reportado que la preparación de estos catalizadores mediante estrategias post-sintéticas promueve la formación de estas especies altamente activas. Objetivos La presente tesis se centra en el desarrollo y diseño de los centros catalíticos de un sistema basado en zeolitas con estaño para la transformación integral de azúcares procedentes de la hemicelulosa en lactato de metilo, una importante molécula plataforma. Una vez desarrollado este sistema catalítico, se acomete la mejora de la actividad catalítica de los mismos. La versatilidad de los catalizadores obtenidos es evaluada en la transformación de mezclas de azúcares, afrontando los retos que plantea la compleja composición de los hidrolizados de hemicelulosa, con proporciones variables de pentosas y hexosas. Finalmente, se evalúa la producción de lactato de metilo en continuo, identificando los diferentes mecanismos de desactivación que tienen lugar a la hora de trasladar y escalar este sistema para operar en condiciones relevantes, demostrando las posibilidades de aplicación industrial. Este estudio se ha desarrollado en el marco del proyecto europeo FRACTION, financiado por Bio Based Industries Joint Undertaking (JU) bajo el programa de investigación e innovación European Union´s Horizon 2020, y bajo el acuerdo de subvención No. 101023202. Dicho proyecto versa sobre el fraccionamiento de la biomasa mediante un método Organosolv basada en el uso de la GVL, así como la valorización y validación de moléculas plataforma procedentes de la hemicelulosa y la lignina....
Description
Tesis Doctoral leída en la Universidad Rey Juan Carlos de Madrid en 2024. Supervisors: José Iglesias Morán Alicia García Sánchez
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- Tesis Doctorales [1552]