Diseño de un proceso para la valorización de ácidos grasos volátiles procedentes de la digestión anaeróbica de biomasa

Abstract

[ES] En la digestión anaeróbica de la biomasa se producen corrientes con una determinada concentración de ácidos carboxílicos de cadena corta, conocidos industrialmente como ácidos grasos volátiles (AGVs), como por ejemplo el ácido propanoico, el ácido butírico y el ácido valérico. En este Trabajo de Fin de Máster, a partir de ahora TFM, se ha planteado un diseño en continuo para la valorización de esta corriente de AGVs, mediante su conversión en cetonas a través de una reacción de descarboxilación cetónica. Para ello, la reacción de descarboxilación cetónica se ha llevado a cabo en un reactor de lecho fijo en presencia de ZrO2 como catalizador, donde reacciona la mezcla de los AGVs formando cetonas, dióxido de carbono y agua. Para optimizar el proceso a escala de laboratorio, se ha analizado en primer lugar la influencia de la temperatura, observándose que entre 375 y 400 °C se logra la conversión completa de los AGVs, con muy buenos rendimientos. Estos rendimientos se han podido mejorar optimizando el sistema de condensación de las cetonas a la salida del reactor. De la digestión anaeróbica de residuos orgánicos, la corriente obtenida de AGVs está muy diluida, por ello, se ha analizado la influencia de la concentración de los AGVs preparando diferentes diluciones acuosas. Los resultados muestran que en todos los casos es posible obtener conversiones del 100% y muy buenos rendimientos a cetonas, aunque en cada caso se tiene que optimizar el sistema de condensación. Finalmente, con la muestra altamente diluida se ha demostrado que la actividad del ZrO2 se mantiene prácticamente constante durante más de trece horas, confirmándose que el sistema catalítico es adecuado para esta reacción. Por otro lado, se ha propuesto un diseño preliminar, de un proceso para valorizar la corriente de AGVs, a mayor escala, compuesto principalmente de un reactor axial de lecho fijo y de un condensador.

[CA] En la digestió anaeròbica de la biomassa es produïxen corrents amb una determinada concentració d'àcids carboxílics de cadena curta, coneguts industrialment com àcids grassos volàtils (AGVs), com per exemple l'àcid propanoic, l'àcid butíric i l'àcid valéric. En este Treball de Fi de Màster, a partir d'ara TFM, s'ha plantejat un disseny en continu per a la valoració d'este corrent d'AGVs, per mitjà de la seua conversió en cetones a través d'una reacció de descarboxilació cetònica. Per a això, la reacció de descarboxilació cetònica s'ha dut a terme en un reactor de llit fix en presència de ZrO2 com a catalitzador, on reacciona la mescla dels AGVs formant cetones, diòxid de carboni i aigua. Per a optimitzar el procés a escala de laboratori, s'ha analitzat en primer lloc la influència de la temperatura, observant-se que entre 375 i 400 °C s'aconseguix la conversió completa dels AGVs, amb molt bons rendiments. Estos rendiments s'han pogut millorar optimitzant el sistema de condensació de les cetones a l'eixida del reactor. De la digestió anaeròbica de residus orgànics, el corrent obtingut d'AGVs està molt diluït, per això, s'ha analitzat la influència de la concentració dels AGVs preparant diferents dilucions aquoses. Els resultats mostren que en tots els casos és possible obtindre conversions del 100% i molt bons rendiments a cetones, encara que en cada cas s'ha d'optimitzar el sistema de condensació. Finalment, amb la mostra altament diluïda s'ha demostrat que l'activitat del ZrO2 es manté pràcticament constant durant més de tretze hores, confirmant-se que el sistema catalític és adequat per a esta reacció. D'altra banda, s'ha proposat un disseny preliminar, d'un procés per a valorar el corrent d'AGVs, a major escala, compost principalment d'un reactor axial de llit fix i d'un condensador.

[EN] During the anaerobic digestion of biomass, currents are produced with a particular concentration of carboxylic acids, known in the industry as volatile fatty acids (VFA), such as propanoic acid, butyric acid or valeric acid. In this Master thesis, a continued design has been postulated for the recovery of this VFA current, through its translation into ketones across a keto decarboxylation reaction. For that purpose, the keto decarboxylation reaction was carried out in a fixed-bed reactor with ZrO2 as a catalyst, where the VFA mixture reacts creating ketones, carbon dioxide and water. In order to optimize the process on a laboratory-scale, first of all, the temperature influence has been analyzed, observing that between 375 and 400°C, the VFA complete transformation is achieved, with very good performances. These performances were possible to improve optimizing the ketones condensation system at the reactor bead. The VFA current obtained during the anaerobic digestion of organic residues, is highly diluted, thus, the VFA concentration influence has been analyzed preparing several aqueous dilutions. The results show that in all cases, it is possible to obtain 100% transformations and excellent performances to ketones, even if in each case the condensation system has to be optimized. Finally, with the specimen highly diluted, it has been demonstrated that the ZrO2 activity is essentially constant for more than thirteen hours, acknowledging that the catalytic system is suitable for this reaction. On the other hand, a preliminary design of process to recover the VFA current, on a wider scale, has been suggested, mainly composed by a solid-based axial reactor and a condenser.