Biorrefinerías de ácido levulínico
Fecha
de publicación: 16/11/2015
Última
actualización: 20/02/2016
Descripción 1,2
El
ácido levulínico (también conocido como ácido 4-oxopentanoico o ácido γ-cetovalérico)
es un compuesto orgánico con fórmula química C5H8O3.
Es un sólido cristalino soluble en agua y en disolventes orgánicos polares.
Contiene un grupo cetona y un grupo carboxilo cuya presencia posibilita
patrones reactivos interesantes. Es uno de los “Biobased
Chemical Building Blocks” más reconocidos, precursor de un amplio número de
compuestos (véase el apartado Aplicaciones más abajo). De hecho, fue reconocido
por el DoE como una de las principales moléculas plataforma del futuro y puede
cubrir de manera eficaz muchas de las atribuciones de productos químicos y
materiales procedentes del petróleo.
Tecnologías de
proceso 1,3,4,5
La
degradación controlada de azúcares C6 mediante ácidos es el proceso más usado
para preparar ácido levulínico a partir de biomasa lignocelulósica. Se han
estudiado otros métodos, por ejemplo, la hidrólisis de ésteres de
acetilsuccinato, hidrólisis ácida de alcohol furfurílico o la oxidación de
cetonas. Sin embargo, dichos métodos requieren materias primas con precios
elevados y dan lugar a cantidades relativamente altas de subproductos.
La
hidrólisis ácida de la lignocelulosa (un proceso termoquímico simple) provoca
la conversión de los polisacáridos en azúcares C5 y C6. El producto de la
degradación de los azúcares C6 es el hidroximetilfurfural (HMF), un compuesto
furánico que puede ser transformado (mediante hidratación) en ácido levulínico
y ácido fórmico en cantidades equimolares. La deshidratación de los azúcares C5
(fracción hemicelulósica) permite obtener furfural, que puede ser utilizado directamente como
producto o convertido en ácido levulínico. La lignina junto con algo de celulosas
y hemicelulosas degradadas y algunos inertes, salen del proceso como una mezcla
rica en carbono. La mayoría de los conceptos para producción comercial de ácido
levulínico se basan en esta tipo de tecnología fuertemente ácida. Las
siguientes empresas han desarrollado su tecnología basándose en este modelo: Biofine,
DSM, GFBiochemicals y Segetis (adquirida por la anterior).
Figura
1. Producción continua de ácido levulínico mediante la Tecnología Biofine (extraído
de la Referencia 1)
Aplicaciones 6,7,8
El
ácido levulínico es una plataforma muy versátil para la obtención de productos
químicos y materiales derivados directamente de biomasa. Se usa como precursor
para:
- Aditivos de combustibles. Los ésteres de levulinato son aditivos para diésel y gasolina. Por ejemplo, puede reemplazar los actuales potenciadores del índice de cetano y de los productos para incrementar las propiedades de flujo frío del diésel. También pueden sustituir a los productos que mejoran la lubricación. El metiltetrahidrofurano (MeTHF), un derivado del ácido levulínico, puede ser mezclado hasta con un 50% de gasolina para incrementar el rendimiento del vehículo y reducir las emisiones de gases contaminantes.
- Disolventes. Los ésteres del ácido levulínico, la gamma-valerolactona (GVL) y el MeTHF son disolventes adecuados para muchas aplicaciones. La GVL puede reemplazar al acetato de etilo y MeTHF puede ser utilizado como sustituto del tetrahidrofurano (THF) en la química fina y en la industria farmacéutica.
- Polímeros y plastificantes. Los ésteres de cetales derivados del ácido levulínico pueden reemplazar a la mayor parte de los plastificantes basados en ftalatos. El metilbutanodiol (MeBDO) tiene potencial como monómero para poliuretanos. GVL puede ser un monómero para poliésteres y precursor de los isómeros de la pirrolidona.
- Resinas y recubrimientos. El ácido levulínico puede ser usado en resinas de poliéster y polioles de poliéster para incrementar la resistencia al rayado de recubrimientos para exteriores e interiores. El ácido difenólico (DPA) en acabados para protección y decoración.
- Agroquímicos. El ácido delta-aminolevulínico (DALA) se usa como herbicida para pastos y ciertos cultivos.
- Productos farmacéuticos. El ácido levulínico se usa en medicamentos antiinflamatorios, agentes antialergénicos, suplementos minerales y parches transdérmicos. El DALA se usa en diagnosis y tratamiento de cáncer.
- Cuidado personal. El ácido levulínico y sus derivados se usan en cosméticos orgánicos y naturales para perfumes, acondicionadores de la piel y reguladores de pH.
- Sabores y fragancias. Los ésteres del ácido levulínico se usan a menudo como ingredientes para potenciadores de sabor y fragancias afrutadas.
Figura
2. Ácido levulínico como molécula plataforma (extraído de la Referencia 8)
Plantas comerciales
– En operación 9,10
Caserta
Biorefinery
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Propietario
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GFBiochemicals (www.gfbiochemicals.com)
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Localización
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Caserta (Italy)
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Materias primas
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Cellulosic feedstock.
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Tecnología
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Proprietary technology platform.
Thermochemical conversion: acidic hydrolysis of lignocellulose. Recovery and purification of levulinic acid. Formic acid and char
are recovered.
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Capacidad
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10,000 tons per year (scale up to
full capacity by 2017).
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Puesta
en marcha
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July 2015.
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Nota
Existe un mercado
poco organizado en China. No fue posible encontrar información sobre las
plantas de los suministradores: Hebei Langfang Triple Well Chemicals, Hebei
Shijiazhuang Worldwide Furfural & Furfuryl Alcohol Funan Resin, Jiangsu
Yancheng China Flavor Chemicals, Shijiazhuang Pharmaceutical Group Ouyi
Pharmaceutical, Shanghai Apple Flavor & Fragrance y Shandong Zibo Shuangyu
Chemical.
Plantas
comerciales – En construcción o en planificación 11
Localización
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Empresas
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Capacidad
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Estado
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A
ser determinado
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Segetis (www.segetis.bio).
Tecnología JavelinTM.
Nota:
Segetis ha sido adquirida por GFBiochemicals.
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15
ktons/a
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Planificada
para 2017.
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Plantas piloto y de demostración 3,11
Localización
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Empresas
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Capacidad
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Estado
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Golden
Valley (MN, USA)
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Nota:
Segetis ha sido adquirida por GFBiochemicals.
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-
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Planta de demostración. En operación desde 2012.
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Gorham
(ME, USA)
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Biofine
Technology (www.biofinetechnology.com)
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-
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Planta
de demostración. En operación desde 2014.
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Limerick (Irlanda)
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Proyecto: DIBANET (www.dibanet.org).
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6 kg/h de biomasa
(procesada)
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Planta piloto. Ya
no está operativa.
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San
Fernando de Henares (Madrid, España)
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Proyecto:
LIFE + WALEVA (www.waleva.eu).
Consorcio:
Técnicas Reunidas, CICYTEX y FEIQUE.
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1
ton/mes de paja de arroz seco (procesada).
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Planta
piloto. Se espera que esté operativa en Q4 2016.
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REFERENCIAS
1 B. Girisuta: “Levulinic Acid from Lignocellulosic Biomass”. PhD Thesis. November 2007.
1 B. Girisuta: “Levulinic Acid from Lignocellulosic Biomass”. PhD Thesis. November 2007.
2 T. Werpy, G.R.
Petersen: “Top Value Added Chemicals from
Biomass. Volume 1: Results of Screening for Potential Candidates from Sugar and
Systhesis Gas”. US DoE, August 2004.
4 “Bio-Based Chemicals: Value Added Products
from Biorefineries”. IEA Bioenergy, Task 42 Biorefinery.
5 P. Harmsen, M. Hackmann: “Green Building Blocks for Biobased Plastics”.
Wageningen UR Food & Biobased Research, March 2013.
