Productos químicos a partir de biomasa

chemicals from biomass

Los productos químicos de biomasa abarcan una clase de productos químicos derivados de fuentes orgánicas y renovables. La mayoría de los materiales de biomasa comprenden productos o subproductos de origen vegetal, aunque también se incluyen sustancias de origen animal como grasas o estiércol.

Si bien los productos químicos de biomasa atrajeron una atención renovada durante las crisis del petróleo de la década de 1970, no son innovaciones recientes. De hecho, la industria química alguna vez dependió en gran medida de la madera, los azúcares, los almidones y las grasas animales para producir productos químicos.

Ciertos productos químicos de la biomasa siguen siendo componentes vitales de la industria química. Las fibras de celulosa, por ejemplo, siguen dominando mercados importantes a pesar de enfrentarse a la competencia de materiales derivados del petróleo a lo largo de los años.

Muchos otros procesos químicos de biomasa estuvieron operativos hasta la década de 1960 y aún persisten en países en desarrollo o países que carecen de un acceso conveniente al petróleo.

Ejemplos notables de sustancias químicas importantes de la biomasa incluyen etanol, acetona/butanol, ácido itacónico, ácido láctico, goma xantana, sorbitol, almidones industriales, ácidos grasos y alcoholes de origen vegetal y animal, glicerol, jabón, furfural y sus derivados, rayón, celofán, carboximetilcelulosa, lignosulfonatos, tall oil, vainillina y metanol.

Durante las crisis del petróleo de la década de 1970, varias empresas químicas volvieron a visitar el ámbito de los productos químicos de biomasa. En los Estados Unidos, el etanol derivado de la fermentación de cereales recibió mucha atención, ya que contaba con el apoyo activo del gobierno federal como diluyente de la gasolina y potenciador de los niveles de octanaje.

Otros productos químicos básicos a base de biomasa que recibieron atención durante ese período incluyeron metanol, ácido acético, butanol/acetona y derivados del etanol.

Con la estabilización de los precios del petróleo, la mayoría de los productores de productos químicos en Estados Unidos han abandonado sus intereses en productos químicos básicos de biomasa. Sin embargo, algunos fabricantes están explorando actualmente nuevas vías en productos químicos especializados en biomasa, como polímeros de almidón innovadores, nuevos productos químicos de lignina y gomas de polisacáridos.

El interés fluctuante en los productos químicos de la biomasa refleja, hasta cierto punto, la fluctuación de los precios del petróleo. No obstante, otras características inherentes a los productos químicos de la biomasa han contribuido a un enfoque cauteloso hacia su redesarrollo.

Tabla de contenido

1. Materias primas de biomasa

La categoría de materia prima de biomasa es extensa e incluye diversas fuentes, como cereales, cultivos de azúcar, cultivos de semillas oleaginosas, desechos agrícolas, subproductos líquidos y sólidos del procesamiento de alimentos, madera, astillas de madera, cortezas, residuos de molienda, residuos forestales, licores de pulpa y grasas animales. , abonos, algas e incluso cultivos exóticos como guayule, jojoba y euforbia.

Todos los materiales de biomasa están compuestos de carbono, hidrógeno y oxígeno, pero la composición química de cada tipo de material es distinta. Debido al importante contenido de oxígeno (hasta un 40%) que se encuentra en la mayoría de los materiales de biomasa, generalmente se los considera fuentes valiosas de sustancias químicas oxigenadas.

La diversidad de materiales de biomasa requiere el diseño de procesos químicos de biomasa específicos para cada tipo de material. A diferencia del petróleo, que es una sustancia más simple y uniforme, la biomasa procedente de diferentes fuentes no se puede intercambiar.

La producción y recolección de materias primas de biomasa también presenta desafíos. Cuando se utiliza una materia prima de biomasa bien establecida como el almidón, la producción y recolección son sencillas porque ya existe una industria de procesamiento de almidón.

Sin embargo, la utilización del almidón para la producción de nuevos productos químicos o para aumentar la producción de productos químicos convencionales a base de almidón puede generar competencia con los mercados de almidón existentes. El mismo razonamiento se aplica al uso de madera o madera para pulpa como materia prima para la producción química.

La elección de una materia prima de biomasa no convencional, como los residuos agrícolas, plantea problemas logísticos para la recolección de materiales dispersos. En general, los desechos de biomasa son voluminosos, dispersos y económicamente difíciles de recolectar y transportar a largas distancias.

Los procesos químicos de biomasa actualmente operativos utilizan principalmente materias primas de biomasa convencionales como azúcar, almidón y madera, así como desechos de biomasa como residuos forestales, licores de pulpa y residuos agrícolas.

Actualmente se están realizando investigaciones para explorar el potencial de nuevos cultivos como el guayule, la jojoba, la euforbia o el crambe que pueden cultivarse en tierras actualmente baldías exclusivamente para la producción química.

Algunos de estos proyectos, incluido el establecimiento de iniciativas forestales de rotación corta, aún requieren un mayor desarrollo de las infraestructuras de producción y recolección, las industrias de procesamiento y los mercados.

2. Tecnología para producir sustancias químicas a partir de biomasa

Debido a la compleja composición de los materiales de biomasa, la conversión de estas sustancias en productos químicos a menudo carece de eficiencia. Los materiales vegetales, por ejemplo, constan de tres componentes principales: celulosa, hemicelulosa y lignina.

Cuando un proceso químico utiliza sólo un componente, mientras que los demás se convierten en desechos que requieren eliminación, el proceso general se vuelve económicamente desfavorable. En la elaboración de pulpa de madera tradicional, por ejemplo, la celulosa se separa de las fracciones de lignina y hemicelulosa, que normalmente se queman para obtener energía o, en ocasiones, se transforman en productos químicos especiales.

Para garantizar el éxito de los planes químicos de biomasa en el futuro, es probable que los nuevos procesos químicos de la madera necesiten encontrar aplicaciones de mayor valor para la lignina y la hemicelulosa. Algunos expertos en el campo de la biomasa han propuesto el concepto de «refinería de biomasa» como componente necesario para dichos planes.

Separar los componentes de los materiales lignocelulósicos sin un uso extensivo de productos químicos y energía, como se hace en la pulpa de madera tradicional, presenta una tarea desafiante. El desarrollo de nuevas tecnologías de proceso para convertir los azúcares de seis carbonos de la celulosa de madera en etanol se ha visto significativamente obstaculizado por este problema de separación, a pesar de los intensos esfuerzos de investigación.

Los productos químicos de biomasa derivados de componentes purificados de la lignocelulosa a menudo se producen mediante fermentación. Normalmente se utiliza azúcar o almidón como materia prima para estos productos químicos, incluidos etanol, butanol/acetona, ácido cítrico y goma xantana.

Aunque la fermentación es un proceso bien establecido, su aplicación más amplia a la producción química enfrenta algunos desafíos. Un proceso de fermentación típico genera una corriente de producto diluido que contiene sólo el 10% o menos del producto deseado, lo que requiere una concentración posterior.

El etanol, por ejemplo, se suele separar de la mezcla de fermentación mediante una destilación que consume mucha energía. Aunque se han logrado avances en la investigación y el desarrollo de la separación de etanol, el problema no se ha resuelto por completo.

Los productos químicos de la biomasa también se pueden producir mediante rutas de conversión química. Utilizando este enfoque se fabrican almidones industriales modificados mediante procesos químicos, así como polímeros a base de almidón. Además, los ácidos grasos y alcoholes a base de aceites vegetales se producen mediante procesos químicos.

Debido a la dificultad y el costo asociados con la separación de los componentes de la biomasa, algunos productos químicos de la biomasa se crean mediante rutas termoquímicas que utilizan todo el material. El ejemplo más antiguo y conocido de este tipo de proceso es la destilación destructiva de la madera para producir metanol. En procesos más nuevos, la biomasa se gasifica en gas de síntesis y luego se reforma en metanol.

La biomasa también puede gasificarse para obtener metano o pirolizarse para obtener alquitranes y productos de hidrocarburos líquidos. Sin embargo, la mayor parte del trabajo sobre gasificación y pirólisis para la producción química aún se encuentra en el laboratorio o en las primeras etapas del desarrollo de una planta piloto.

Otra ruta de conversión química que involucra todo el material de biomasa es la digestión anaeróbica de sólidos o líquidos de biomasa. Desarrollada originalmente como un método para tratar aguas residuales líquidas, la digestión anaeróbica que produce metano se concibió inicialmente como un medio que consume menos energía para reducir la demanda química de oxígeno de los desechos. Este proceso también se exploró como una forma de producir metano con calidad de tubería.

3. Productos químicos de biomasa

3.1. Etanol y sus derivados:

El etanol ha sido una sustancia química de la biomasa ampliamente estudiada. A principios de la década de 1980, Estados Unidos apoyó la producción de etanol de fermentación como diluyente del combustible mediante una exención del impuesto al combustible. Este incentivo condujo a un crecimiento significativo en la producción de combustible y etanol de fermentación de grado industrial.

El etanol de fermentación de grado industrial comenzó a reemplazar al etanol sintético en el mercado de productos químicos, y se predijo que el etanol de fermentación dominaría el mercado del etanol industrial en 1990.

El etanol combustible se produce normalmente mediante fermentación por lotes de almidones o azúcares utilizando la levadura Saccharomyces cerevisiae. También se estaban desarrollando procesos de fermentación continua para su comercialización.

El etanol se puede convertir en otros productos químicos básicos de gran volumen. Un ejemplo es la conversión de etanol en etileno haciendo pasar vapor de etanol sobre un catalizador de alúmina de lecho fijo calentado. La mezcla resultante de etileno y agua se separa en sus componentes. Este método, aunque costoso, se utiliza en Brasil, donde existe un programa de fermentación de etanol respaldado por el gobierno.

El acetaldehído, que actualmente se produce por vía petroquímica, también puede derivarse del etanol. El etanol se vaporiza y se pasa sobre un catalizador de cobre activado con cromo de lecho fijo calentado. El acetaldehído se puede convertir en n-butanol mediante acetaldol y crotonaldehído, aunque este proceso es costoso.

El butadieno, una sustancia química producida anteriormente a partir de etanol en un proceso de un solo paso, implicaba pasar acetaldehído y etanol sobre un catalizador de óxido de tantalio sobre gel de sílice. Sin embargo, la destilación que requiere mucha energía para la purificación del producto encareció este proceso.

3.2. Otros productos químicos de fermentación

Además del etanol, existen otros procesos de fermentación química. Un ejemplo es la fermentación de butanol/acetona, que alguna vez tuvo gran importancia industrial, especialmente en Sudáfrica.

Este proceso de fermentación utiliza cereales o melaza como materia prima y emplea la bacteria Clostridium acetobutylicum. El proceso produce una mezcla de butanol/acetona/etanol, que debe separarse mediante destilación.

Las fermentaciones aeróbicas sumergidas se han desarrollado para la producción de antibióticos desde la Segunda Guerra Mundial. Estas fermentaciones han permitido la producción de productos químicos como ácido cítrico, ácido glucónico, ácido itacónico, goma xantana y otros polisacáridos con aplicaciones como espesantes, emulsionantes, estabilizadores y potencialmente en la recuperación o limpieza de petróleo.

3.3. Productos químicos de azúcar

La dextrosa, obtenida del almidón, es una materia prima importante para la fabricación de sorbitol, una sustancia química ampliamente utilizada en alimentos, dentífricos, cosméticos y como intermediario químico. Los polioles de sacarosa también desempeñan un papel en la fabricación de espuma de uretano.

3.4. Productos químicos de almidón

El almidón industrial derivado de cereales y patatas encuentra numerosas aplicaciones. Puede usarse tal cual o modificarse mediante procesos como la despolimerización para producir dextrinas o mediante reacciones químicas que sustituyen los grupos hidroxilo con otros sustituyentes.

Los almidones modificados incluyen almidón oxidado, acetatos, fosfatos, aminoalquiléteres y otros éteres. Estos materiales de bajo costo se utilizan como aprestos y aglutinantes de papel y textiles.

Se han introducido algunos productos químicos de almidón más modificados, como el copolímero de injerto de almidón-acrilonitrilo, que tiene usos especiales en productos de cuidado personal y aplicaciones médicas. El almidón también se puede convertir en α-metilglucósido, un poliol de almidón utilizado en la producción de espuma rígida de uretano.

3.5. Productos químicos derivados de semillas oleaginosas

Las semillas oleaginosas como las de linaza, soja, algodón, coco, palma y otros aceites vegetales y grasas animales siempre han sido materias primas importantes en la fabricación de productos químicos. Estos aceites contienen una mezcla de triglicéridos de ácidos grasos con cadenas de carbonos que van de 8 a 20.

A pesar de enfrentarse a la competencia de sus homólogos petroquímicos, los ácidos grasos de biomasa todavía mantienen una cuota de mercado considerable en tensioactivos, aglutinantes de pinturas y plastificantes.

La producción de ácidos grasos naturales implica hidrolizar grasas o aceites vegetales en condiciones de vapor a alta presión, lo que requiere inversiones sustanciales en equipos de alta presión y capacidad de destilación al vacío para la separación de ácidos.

Sin embargo, estos productos encuentran mercados importantes en tensioactivos, plastificantes, grasas, lubricantes sintéticos, cosméticos, artículos de tocador, productos químicos textiles, emulsionantes, productos secundarios de recuperación de petróleo y beneficio de minerales.

Los triglicéridos también producen alcoholes grasos de cadena larga con aplicaciones como lubricantes y tensioactivos. El jabón, otro producto de aceite natural, ha perdido terreno frente a los detergentes sintéticos, pero el glicerol, un subproducto de la producción de jabón o ácidos grasos, sigue siendo competitivo frente al glicerol sintético.

Los derivados de ácidos grasos, como los ácidos azelaico y pelargónico, obtenidos mediante ozonólisis del ácido oleico, han encontrado nichos en los mercados especializados. Estos ácidos se utilizan en fibras de poliéster modificadas, elastómeros, adhesivos, plastificantes, lubricantes sintéticos y revestimientos de superficies.

El nailon 11, derivado del ácido ricinoleico que se encuentra en el aceite de ricino, se comercializa como plástico para piezas moldeadas en automóviles, equipos de transporte y otras maquinarias. Otros nailon especializados también pueden derivarse de ácidos grasos naturales, como el nailon 9 del aceite de soja y el nailon 1313 del ácido erúcico procedente del aceite de crambe.

El aceite de jojoba, extraído de las semillas de la planta de jojoba, un arbusto exótico del desierto, encuentra aplicaciones en cosmética. Su estructura química se parece mucho a la del aceite de esperma, que ahora está restringido en muchos países debido a los esfuerzos de conservación del casi extinto cachalote.

Los productores de aceite de jojoba están explorando oportunidades para introducir este éster de un ácido graso de cadena larga y un alcohol de cadena larga en el mercado de lubricantes de alta presión y potencialmente en el mercado de lubricantes para automóviles.

3.6. Furfural y sus derivados

El furfural (2-furaldehído) y sus derivados, incluido el alcohol furfurílico, las resinas de furano y el tetrahidrofurano, se producen en numerosos países utilizando materiales de biomasa como mazorcas de maíz, cáscaras de trigo y avena, y otras fuentes.

El furfural se deriva de las pentosas, azúcares de cinco carbonos presentes en la hemicelulosa, un componente importante de los materiales lignocelulósicos. El proceso de producción implica un tratamiento con vapor seguido de deshidratación. A principios de la década de 1980, el furfural se consideraba un producto potencial para los países en desarrollo con abundantes recursos de biomasa, y varias naciones han establecido con éxito plantas de producción.

Aproximadamente un tercio del furfural producido se utiliza como disolvente, mientras que los dos tercios restantes sirven como intermediarios en la fabricación de derivados del furfural.

El derivado más importante es el alcohol furfurílico, que se utiliza en la producción de resinas de furano para aglutinantes de arena de fundición.

Otro derivado, el tetrahidrofurano, también se puede producir mediante métodos petroquímicos. La ampliación de la producción de furfural podría conducir al descubrimiento de usos adicionales, como la producción de adiponitrilo.

3.7. Polímeros de celulosa

Los polímeros de celulosa, incluidos el rayón, el acetato de celulosa, el éster de celulosa, el celofán y la celulosa modificada, siguen siendo importantes a pesar de enfrentar una fuerte competencia de alternativas petroquímicas.

El interés por la celulosa surge de la investigación sobre combustibles alternativos que surgieron de las crisis del petróleo de los años 1970. La celulosa se considera una fuente potencial de azúcares hexosas, que pueden fermentarse para producir etanol.

La investigación sobre la conversión de celulosa en etanol ha dado lugar a nuevos esquemas de fraccionamiento de lignocelulosa, que pueden contribuir al desarrollo de tecnologías de fabricación de pasta que preserven el valor de las fracciones de hemicelulosa y lignina en materiales lignocelulósicos.

3.8. Productos químicos de lignina

Las fábricas de pasta de papel generan importantes corrientes de residuos que contienen fracciones de lignina y hemicelulosa de la madera. Normalmente, estos flujos de residuos, que contienen sustancias químicas del proceso de fabricación de pulpa, se utilizan principalmente por su valor energético a través de la combustión. Sin embargo, una pequeña porción se puede convertir en diversos productos químicos.

La pulpa semiquímica con sulfito neutro produce licor negro, del cual se pueden extraer los ácidos acético y fórmico. El licor de pulpa negro Kraft puede servir como fuente de dimetilsulfóxido, que se produce calentando el licor para convertir los grupos metilo de la lignina en sulfuro de metilo, seguido de oxidación a sulfuro de dimetilo.

Las ligninas sulfonadas, un componente principal del licor negro Kraft, se pueden recuperar como lignosulfonatos, que se utilizan como dispersantes, secuestrantes, estabilizadores de emulsión y humectantes. El lignosulfonato de calcio crudo se puede oxidar a vainillina, lo que genera competencia por el extracto obtenido de la vaina de vainilla.

El tall oil, un subproducto del proceso Kraft utilizado para la fabricación de pulpa de maderas blandas, es una mezcla de colofonia y un grupo de ácidos grasos.

Nuevos procesos de separación de lignocelulosa, como la explosión de vapor, han permitido la producción de lignina de baja masa molecular sin modificar. Aunque este material todavía se está sometiendo a pruebas exhaustivas, se muestra prometedor como sustituto parcial de los resoles fenólicos en adhesivos de fenol-formaldehído.

Otros usos potenciales de este tipo de lignina incluyen ser aglutinante para alimentos para animales, agente encapsulante, recubrimiento de granos forrajeros, productos químicos para el tratamiento del polvo de carreteras, rellenos de refuerzo en cauchos y agente de fraguado en cemento Portland.

Los defensores del «refinado de biomasa» proponen hidrocraqueo e hidroalquilación de lignina para producir fenolbenceno.

3.9. Metanol

Los métodos tradicionales de producción de metanol a partir de biomasa, conocidos como destilación destructiva, implican calentar madera en hornos de acero, lo que da como resultado la producción de carbón vegetal, ácido acético, metanol, alquitrán y aceite. Sin embargo, este proceso no es económicamente viable en los países industrializados, aunque puede serlo en naciones menos desarrolladas.

Los nuevos métodos de producción de metanol requieren gasificación de biomasa, a menudo utilizando gasificadores de oxígeno, para producir gas de síntesis, que posteriormente se reforma para producir metanol. Actualmente varios proyectos se encuentran en planta piloto o etapa de demostración.

3.10. Metano

Se pueden emplear varios métodos para producir metano a partir de biomasa. El método más utilizado es la digestión anaeróbica, desarrollada inicialmente para el tratamiento de residuos líquidos orgánicos de baja concentración.

La digestión anaeróbica es un proceso de fermentación lento en el que las bacterias convierten la materia orgánica primero en ácidos orgánicos y luego en metano. Actualmente se está llevando a cabo una amplia experimentación en este campo, cuyas aplicaciones principales se encuentran en el tratamiento de residuos.

Si bien la producción de metano suele ser secundaria en estas aplicaciones, y el gas se utiliza para alimentar el proceso, el proceso también se puede utilizar únicamente para la producción de metano.

Referencias