Proceso catalítico para la producción de aromáticos renovables a partir de fuentes biogénicas.

Abstract

[ES] El presente Trabajo de Final de Máster, perteneciente al Máster Universitario en Química Sostenible, se ha realizado en el Instituto de Tecnología Química (UPV-CSIC), dentro de la línea de investigación dedicada a la valorización de derivados de biomasa lignocelulósica en productos de interés industrial. La creciente necesidad de reemplazar los recursos fósiles por fuentes renovables para la producción sostenible de energía, combustibles y productos químicos se ha visto motivada por la insostenibilidad de los primeros y el impulso global hacia la Química Verde. La biomasa lignocelulósica es una materia prima de origen biogénico que se considera una de las principales alternativas a los recursos fósiles para generar productos de alto valor añadido, como los compuestos aromáticos o BTXs (benceno, tolueno, xilenos), de gran interés por sus múltiples aplicaciones industriales (petroquímica, fabricación de polímeros, química fina, etc.). Por ello, se están realizando esfuerzos significativos para obtener estos compuestos de manera más sostenible y eficiente, avanzando así hacia la descarbonización de la economía. Con este objetivo, y basado en resultados catalíticos previos obtenidos en el grupo de investigación, se han llevado a cabo reacciones estándar o modelo de aromatización de compuestos furánicos (2,5-DMF, 2-MF) con olefinas de cadena corta (etileno, ácido acrílico) utilizando catalizadores sólidos basados en óxidos metálicos mixtos de W y Nb de diferentes composiciones, con estructura tipo Bronce y propiedades texturales y ácidas mejoradas, desarrollados en el grupo de investigación del ITQ. Los resultados obtenidos se han comparado con aquellos alcanzados por un catalizador zeolítico comercial de referencia, específicamente la zeolita H-ZSM-5, un aluminosilicato microporoso con relación molar Si/Al = 14. El estudio de la actividad catalítica de estos materiales en dichas reacciones ha permitido optimizar las principales condiciones de reacción y maximizar las selectividades (>50%) y los rendimientos a los productos deseados. Además, se han realizado experimentos catalíticos con distintos sustratos furánicos y distintas olefinas de cadena corta (por ejemplo, ácido acrílico), con el propósito de extender el uso de estos catalizadores del tipo óxidos mixtos de WNb-O para la obtención de compuestos aromáticos renovables de interés industrial. En resumen, el trabajo desarrollado en este proyecto se ha centrado en la síntesis sostenible y eficiente de compuestos aromáticos de alto valor añadido, como BTXs, a partir de reacciones de aromatización de compuestos furánicos derivados de biomasa lignocelulósica, evaluando la viabilidad del uso de catalizadores basados en óxidos metálicos mixtos de W y Nb y optimizando las condiciones de operación para mejorar los rendimientos. Los resultados obtenidos son prometedores, aunque la producción de estos compuestos aromáticos a partir de bio-furanos está en sus comienzos y requerirá de más investigación para alcanzar su madurez y desarrollo industrial.

[EN] This Master's Thesis, belonging to the Master's Degree in Sustainable Chemistry, has been carried out at the Instituto de Tecnología Química (UPV-CSIC), within the research line dedicated to the valorisation of lignocellulosic biomass derivatives in products of industrial interest. The growing need to replace fossil resources with renewable sources for the sustainable production of energy, fuels and chemical products has been motivated by the unsustainability of the former and the global drive towards Green Chemistry. Lignocellulosic biomass is a biogenic raw material that is considered one of the main alternatives to fossil resources for generating high added value products, such as aromatic compounds or BTXs (benzene, toluene, xylenes), of great interest due to their multiple industrial applications (petrochemicals, polymer manufacture, fine chemicals, etc.). Significant efforts are therefore being made to obtain these compounds in a more sustainable and efficient manner, thus moving towards the decarbonisation of the economy. With this aim, and based on previous catalytic results obtained in the research group, standard or model aromatization reactions of furanic compounds (2,5-DMF, 2-MF) with short-chain olefins (ethylene, acrylic acid) by using solid catalysts developed at the ITQ s research group based on metallic mixed oxides of W and Nb with different compositions, having Bronze-type structure and enhanced textural and acid properties, have been carried out. The attained results have been compared with those achieved using a commercial zeolite acid catalyst of reference, specifically zeolite H-ZSM-5, a microporous aluminosilicate with molar ratio Si/Al = 14. The catalytic activity study of these materials in these reactions has allowed optimising the main reaction conditions and maximising the selectivity (>50%) and yields to the desired products. Besides, catalytic experiments with different furanic substrates and different short chain olefins (for example, acrylic acid) have been carried out with the aim of extending the use of these WNb-O mixed oxide type-catalysts to obtain renewable aromatic compounds of industrial interest. In summary, the work carried out in this project has focused on the sustainable and efficient synthesis of high added value aromatic compounds, such as BTXs, from aromatisation reactions of furanic compounds derived from lignocellulosic biomass, evaluating the feasibility of using catalysts based on mixed metal oxides of W and Nb and optimising the operating conditions to improve yields. The attained results are promising, although, the production of these aromatic compounds from bio-furans is in its infancy and it will require further research to reach maturity and industrial development.