Esterificación de ácidos grasos en lecho fijo

Abstract

[ES] En la presente tesis doctoral el principal objetivo ha sido desarrollar una nueva metodología para producir monoésteres, diésteres y polioles derivados de ácidos grasos de forma continua. Una producción en continuo incrementa la producción y la productividad por tiempo de catalizador. Además, esta metodología es mucho más sostenible para el medioambiente, ya que hace decrecer el factor E (Factor E = kg totales de sustancias involucradas en el proceso/Kg de producto) y se reducen también los residuos generados, si los comparamos a un proceso discontinuo. Así mismo, el proceso en continuo se desarrollará mediante catálisis heterogénea y mediante sólidos poliméricos de nueva síntesis. Cabe destacar que actualmente no hay en la literatura ninguna referencia de producción en continuo para la esterificación de ácidos grasos lineales de cadena larga con alcoholes. En primer lugar, se realizó un "screening" de diferentes catalizadores a nivel de laboratorio para la reacción de esterificación tanto en "batch" como en un reactor de lecho fijo. De entre los catalizadores probados se vio como catalizadores como el PAFR eran altamente activos a la conversión de ácidos, pero su limitada disponibilidad a nivel comercial limitó su posterior uso. Otra tipología de catalizadores probados fueron los carbones activos funcionalizados con azufre, entre ellos el catalizador que mejor funcionó fue el Norit RBHG. Sin embargo, debido al lixiviado durante la reacción, nos impide utilizarlos a nivel de planta piloto. Por tanto, el catalizador más adecuado para ser probado en planta piloto es la resina Amberlyst-16, ya que ha presentado el mejor rendimiento y es estable a la lixiviación. Con los resultados obtenidos en el laboratorio se diseñó y se fabricó, juntamente con una empresa de ingeniería, una planta piloto para la fabricación de ésteres en un reactor de lecho fijo. En ella se realizaron estudios de viabilidad técnica y económica para la reacción de esterificación de ácido láurico. Los resultados obtenidos indicaron que es posible fabricar 2-EHL a nivel de planta piloto en conversiones cercanas al 98% utilizando un catalizador ácido como es la resina Amberlyst-16. Se llevo a cabo un estudio de viabilidad económica con el que se pudo comprobar cómo con la planta piloto no es rentable fabricar, pero si se decidiera invertir en una planta industrial en continuo para la fabricación de ésteres de ácidos grasos, el retorno de inversión sería prácticamente inmediato, ya que la eficiencia de fabricación es mucho mayor que la que se tiene en una planta de esterificación en batch. Por último, se realizaron pruebas de uso del 2-EHL fabricado en la planta piloto para determinar si era posible utilizar en 2-EHL con la conversión del 98% en formulaciones de tintas digitales cerámicas en base solvente, los resultados obtenidos fueron excelentes, ya que no había variación en las propiedades de la tinta al sustituir el 2-EHL comercial por el 2-EHL fabricado en la planta piloto, dando por concluido el estudio.

[CAT] En aquesta tesi doctoral el principal objectiu ha estat desenvolupar una nova metodologia per produir monoèsters, dièsters i poliols derivats d'àcids grassos de forma contínua. Una producció en continu incrementa la producció i la productivitat per temps de catalitzador. A més, aquesta metodologia és molt més sostenible per al medi ambient, ja que fa decréixer el factor E (Factor E = kg totals de substàncies involucrades en el procés/Kg de producte) i es redueixen també els residus generats, si els comparem a un procés en discontinu. Així mateix, el procés en continu s'ha desenvolupat mitjançant catàlisi heterogènia i mitjançant sòlids polimèrics de nova síntesi. Cal destacar que actualment no hi ha a la literatura cap referència de producció en continu per a l'esterificació d'àcids grassos lineals de cadena llarga amb alcohols. En primer lloc, es va realitzar un "screening" de diferents catalitzadors a nivell de laboratori per a la reacció d'esterificació tant a "batch" com a un reactor de llit fix. Entre els catalitzadors provats es va veure com catalitzadors com el PAFR eren altament actius a la conversió d'àcids, però la seva limitada disponibilitat a nivell comercial va limitar el seu posterior ús. Una altra tipologia de catalitzadors provats van ser els carbons actius funcionalitzats amb sofre, entre ells el catalitzador que millor va funcionar va ser el Norit RBHG. Tot i això, a causa del lixiviat durant la reacción, esta ens impedeix utilitzar-los a nivell de planta pilot. Per tant, el catalitzador més adequat per ser provat a planta pilot és la resina Amberlyst-16, ja que ha presentat el millor rendiment i és estable a la lixiviació. Amb els resultats obtinguts al laboratori es va dissenyar i fabricar, juntament amb una empresa d'enginyeria, una planta pilot per a la fabricació d'èsters en un reactor de llit fix. S'hi van fer estudis de viabilitat tècnica i econòmica per a la reacció d'esterificació d'àcid làuric. Els resultats obtinguts van indicar que és possible fabricar 2-EHL a nivell de planta pilot en conversions properes al 98% utilitzant un catalitzador àcid com és la resina Amberlyst-16. Es va dur a terme un estudi de viabilitat econòmica amb què es va poder comprovar com amb la planta pilot no és rendible fabricar, però si es decidís invertir en una planta industrial en continu per a la fabricació d'èsters d'àcids grassos, el retorn d'inversió seria pràcticament immediat ja que l'eficiència de fabricació és molt més gran que la que es té en una planta d'esterificació en batch. Finalment, es van realitzar proves d'ús del 2-EHL fabricat a la planta pilot per determinar si era possible utilitzar a 2-EHL amb la conversió del 98% en formulacions de tintes digitals ceràmiques en base solvent, els resultats obtinguts van ser excel·lents ja que no hi havia variació en les propietats de la tinta en substituir el 2-EHL comercial pel 2-EHL fabricat a la planta pilot, donant per conclòs l'estudi.

[EN] In the present doctoral thesis, the main objective has been to develop a new methodology to produce mono-esters, di-esters and polyols derived from fatty acids, continuously. Continuous production increases production and productivity per catalyst time. In addition, this methodology is much more sustainable for the environment, since it decreases the factor E (Factor E = total kg of substances involved in the process/Kg of product) and the waste generated is also reduced, if we compare to a discontinuous process. Likewise, the continuous process will be developed through heterogeneous catalysis and through newly synthesized polymeric solids. It should be noted that there is not any current continuous production reference in the literature for the esterification of long-chain linear fatty acids with alcohols. In the first place, a screening of different catalysts was carried out at the laboratory level for the esterification reaction both in batch and in a fixed-bed reactor. Among the catalysts tested, catalysts such as PAFR were found to be highly active in acid conversion, but their limited commercial availability prevented their further use. Another type of catalyst tested was sulfur-functionalized active carbon, and the catalyst that worked best was Norit RBHG. However, due to leaching during the reaction, it prevents us from using them at the pilot plant level. Therefore, the most suitable catalyst to be tested in a pilot plant was the Amberlyst-16 resin, since it presented the best performance and is stable to leaching. With the results obtained in the laboratory, a pilot plant for the manufacture of esters in a fixed-bed reactor was designed and manufactured, together with an engineering company. Technical and economic feasibility studies were carried out for the lauric acid esterification reaction. The results obtained indicated that it is possible to manufacture 2-EHL at a pilot plant level with conversions close to 98%, using an acid catalyst such as Amberlyst-16 resin. An economic feasibility study was carried out which verifies that the pilot plant it is not profitable to manufacture, but if it were decided to invest in a continuous industrial plant for the manufacture of fatty acid esters, the return on investment would be practically immediately, since the manufacturing efficiency is much higher than that of a batch esterification plant. Finally, use tests of the 2-EHL manufactured in the pilot plant were carried out to determine if it was possible to use 2-EHL with a conversion of 98% in solvent-based ceramic digital ink formulations. The results obtained were excellent since there was not any variation in the properties of the ink when substituting the commercial 2-EHL, thus ending the study so far.