Transesterificación de bio-glicerina con acetato de metilo sobre materiales mesoestructurados funcionalizados con grupos sulfónicos

Abstract

El presente proyecto fin de carrera forma parte de una línea de investigación que se desarrolla en la actualidad en el Grupo de Ingeniería Química y Ambiental (G.I.Q.A.) de la Universidad Rey Juan Carlos denominada ¿Producción de biocombustibles¿ y, más concretamente, en el ¿Aprovechamiento de la glicerina para su transformación en aditivos de biodiésel o gasóleo de automoción¿. El interés de esta investigación viene motivado por la Directiva 2009/28/CE, que promueve el uso de biocarburantes en el sector del transporte para reducir tanto las emisiones de gases de efecto invernadero como la creciente dependencia del petróleo. Dicha directiva fija para los miembros de la UE una penetración en el mercado del 10% de biocombustibles para finales del 2020, calculado sobre la base del contenido energético de los carburantes. De alcanzarse dicho objetivo, se estima que en los próximos años se genere un gran excedente de glicerina con la consiguiente disminución del precio de la misma. Este trabajo de investigación está enfocado hacia el estudio del comportamiento de materiales mesoestructurados funcionalizados con grupos sulfónicos en la transesterificación de glicerina con acetato de metilo. La importancia de esta reacción radica en el hecho de poder obtener compuestos con propiedades adecuadas para su utilización como bioaditivos. Estos productos añadidos al biodiésel producen una mejora de las propiedades en frío y de la viscosidad del biocombustible final. Además, también podría adicionarse a las gasolinas mejorando sus propiedades antidetonantes. De esta manera, no sólo supondría una posible alternativa para dar salida a las grandes cantidades de glicerina que se producirán con el previsible incremento de la producción de biodiésel, sino también, se le estaría dotando de un mayor valor añadido a este subproducto haciendo más rentable el proceso productivo. Además, cabe mencionar que el acetato de metilo es un producto secundario que se obtiene en una elevada cantidad en la producción de polivinilalcohol (PVA), por lo que también implicaría una revalorización para este compuesto. La primera parte del presente proyecto se centra en optimizar las condiciones de reacción de la transesterificación de glicerina con acetato de metilo. Existen cuatro variables que pueden afectar sustancialmente al sistema de reacción en estudio: la temperatura, el tiempo de reacción, la cantidad de catalizador y la relación molar acetato de metilo:glicerina. En primer lugar se han realizado estudios prelimilares para ver la influencia de la temperatura y del tiempo de reacción, a partir de los cuales se han fijado dichas variables. A continuación, se empleó la metodología de un diseño de experimentos para analizar la repercusión de la concentración del catalizador y la relación molar de acetato de metilo:glicerina en la consecución de los objetivos de maximizar tanto la conversión de glicerina como la selectividad hacia los productos di- y triacetilados. A través de él, se han obtenido una serie de ecuaciones predictivas que han sido utilizadas para representar las correspondientes superficies respuesta y finalmente, mediante un estudio de las mismas, determinar las condiciones óptimas de la reacción. Los resultados de dicho estudio han mostrado que para alcanzar altas conversiones de glicerina y elevadas selectividades a los productos de interés, es necesario trabajar con un exceso de acetato de metilo (relación molar acetato de metilo:glicerina ¿¿ 50:1) y una alta cantidad de catalizador (concentración de catalizador respecto de la glicerina ¿¿ 7,5% (p/p)). A continuación, se ha estudiado la reutilización del catalizador y los posibles motivos de su desactivación. Para ello, se ha realizado un análisis comparativo a altas y bajas relaciones de acetato de metilo:catalizador. La conclusión que se extrae de este estudio es que al trabajar con elevadas proporciones de éster, se produce una rápida desactivación del catalizador disminuyendo el número de reutilizaciones posibles. Esta pérdida de actividad puede ser debida a varios factores, entre los que destaca la sustitución del grupo metilo del éster por el protón del grupo sulfónico del catalizador para dar ácido acético y sulfonato de metilo. Otro hecho a tener en cuenta es el efecto que pueden causar las impurezas que acompañen a la glicerina alimentada. Por este motivo, se ha realizado una comparativa empleando glicerinas de distinta naturaleza (farmacéutica, técnica y cruda). De esta manera, se observa que la presencia de agua y de sales afecta negativamente a la conversión de la glicerina y a la obtención de una distribución de productos adecuada para la producción de bioditivos. Aún así, los resultados obtenidos al trabajar con la glicerina técnica (6,2% en peso de agua) se pueden considerar como aceptables, posicionándola como una alimentación atractiva para este proceso de transformación. Por último, se ha llevado a cabo un estudio comparativo entre sílices mesoestructuradas funcionalizadas con grupos sulfónicos y materiales sulfónicos comerciales. De esta manera, se pone de manifiesto la idoneidad del catalizador mesoestructurado, funcionalizado con grupos arilsulfónicos, seleccionado para el desarrollo del presente proyecto de investigación. Dicho material reúne las propiedades ácidas suficientes para obtener elevadas conversiones de glicerina y una distribución de productos favorable para su utilización como bioditivos. Asimismo, ha demostrado tener una mayor actividad catalítica que los catalizadores comerciales ensayados, exceptuando la resina ácida Amberlyst-70. Por todo lo expuesto, se puede concluir que los materiales mesoestructurados funcionalizados con grupos arilsulfónicos se presentan como catalizadores interesantes en la reacción de transesterificación de glicerina con acetato de metilo. De hecho, ésta puede ser considerada como una nueva aplicación catalítica de este tipo de sólidos.