Biorrefinerías de ácido glucárico

Fecha de publicación: 14/12/2015

Última actualización: 24/05/2017

Descripción ^1,2,3,4

Él ácido d-glucárico, también llamado ácido sacárico, es un compuesto químico con fórmula C₆H₁₀O₈ y miembro de una familia extensa de moléculas conocidas como azúcares ácidos. Se trata de un ácido aldárico que se produce de manera natural que se encuentra típicamente en una gran variedad de frutas y vegetales. Es un compuesto altamente funcionalizado con cuatro carbonos quirales y una gran gama de rutas de reacción. Su potencial comercial fue puesto de relevancia en el informe “Top Value Added Chemicals from Biomass” del DoE de USA que describe su uso como precursor de polímeros, incluyendo nuevas poliamidas y poliésteres altamente ramificados.

Tecnologías de proceso ^{1,3,4,5,6,7,8}

La primera mención de la preparación sintética del ácido D-glucárico está fechada en 1888. Se trata de un informe de Sohst y Tollens, los cuales llevaron a cabo la oxidación nítrica de la D-glucosa en ácido D-glucárico. Los métodos actuales para su producción están basados en este proceso e implican la oxidación química de la D-glucosa, normalmente con ácido nítrico. Aunque se obtienen rendimientos bajos de ácido D-glucárico debido a otras reacciones parásitas que generan numerosos productos de oxidación, el método continúa siendo atractivo para comercializar por su relativa simplicidad con el ácido nítrico actuando simultáneamente como disolvente y agente oxidante. De hecho, la primera planta comercial usa una tecnología patentada desarrollado por Rivertop que consiste en un proceso de oxidación en un paso sin liberación de NO_x (modificación del proceso convencional).

Se han investigado métodos alternativos que incluyen la oxidación catalítica con oxígeno utilizando un catalizador de platino y reacciones de oxidación basadas en cloro y bromo empleando TEMPO como catalizador. Se ha demostrado que los catalizadores incrementan el rendimiento de ácido D-glucárico, sin embargo, suelen ser bastante caros. Uno de estos procesos se está ya probando en etapa pre-comercial: Rennovia y Johnson Matthey Process Technologies están operando una mini-planta para la oxidación aerobia catalítica de glucosa a ácido glucárico.

 

Figura 1. Derivados del ácido glucárico (extraída de la Referencia 1)

La producción biológica de ácido D-glucárico esconde el potencial de un proceso más barato y respetuoso con el medio ambiente. Ya se han propuesto algunas rutas biológicas sintéticas. Por ejemplo, se puede obtener a partir de D-glucosa en Escherichia coli recombinante. Kalion, una empresa de biotecnología industrial de reciente creación, está trabajando en una tecnología de bajo coste para producir ácido D-glucárico usando este tipo de tecnologías de fermentación. Todavía es necesario seguir desarrollando el proceso para escalar el proceso de laboratorio a un ambiente comercial.

Aplicaciones ^9,10

El ácido glucárico es una plataforma química con un rango amplio de aplicaciones:

• Precursor del ácido adípico de origen renovable. Una planta comercial a escala mundial podría requerir 225 kton al año de ácido glucárico.
• Detergentes sin fosfatos y limpiadores biodegradables. Las sales de los azúcares ácidos pueden ser aplicadas para quelar varios iones metálicos. En aplicaciones relacionadas con los detergentes, han demostrado tener una capacidad para secuestrar calcio libre similar a la de los fosfatos.
• Aditivos anticorrosivos. El ácido glucárico tiene la capacidad de bajar el pH en condiciones de operación a niveles adecuados para varias aplicaciones del sector oil and gas.
• Aditivos para cementos.
• Adhesivos y recubrimientos.
• Ingredientes para alimentos y acidulantes para piensos.
• Terapéutico. Agente antitumoral y de reducción del colesterol.

Biorrefinerías a escala comercial y plantas piloto ^{7,11,12,13,14}

Seguidamente, un resumen de las principales características de las instalaciones a nivel comercial y plantas piloto que están en operación o en construcción en el momento de escribir estas líneas.

Instalaciones a escala comercial – En operación
Propietario	Ubicación	Materias primas	Tecnología	Capacidad	Estado
Rivertop Renewables  y DTI.	Danville (Virginia, USA).	Varios azúcares y alcohols de azúcares.	Tecnología patentada desarrollada por Rivertop – Oxidación en ácido nítrico de D-glucosa para dar ácido D-glucárico sin liberación de NOx.	A capacidad completa, la planta es capaz de producir más de 9 millones de toneladas secas de glucarato de sodio al año, un incremento de aproximadamente el 15% sobre las previsiones iniciales.	La construcción comenzó en Diciembre de 2014 y la primera producción comercial de productos basados en glucarato se inició en Agosto de 2015.

Instalaciones a escala piloto – En operación
Propietario	Ubicación	Materias primas	Tecnología	Capacidad	Estado
Johnson Matthey Process Technologies y Rennovia.	Stockton (Inglaterra).	Glucosa.	Oxidación catalítica aerobia de glucosa para obtener ácido glucárico.	-	En marzo de 2014, las empresas anunciaban su colaboración para desarrollar y comercializar tecnología de producción de ácido glucárico y ácido adípico de origen renovable. Juntos pusieron en marcha una mini-planta de producción de ácido glucárico en julio de 2015.

Otros movimientos que podrían culminar en nuevas instalaciones:

- Febrero 2017: Johnson Matthey y Rennovia anuanciaban haber firmado un acuerdo de licencia con Archer Daniels Midland Company (ADM) para proporcionar el catalizador y la tecnología de proceso para la producción catalítica de ácido glucárico verde.

- Abril 2017: Kalion y el Lawrence Berkeley National Laboratory han sido galardonados con 200.000 dólares para avanzar en la fabricación a gran escala de ácido glucárico y ácido glucurónico a través de la creación de una cepa apta para producción y de su escalado para generar un proceso apropiado.

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REFERENCIAS

1 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, agosto de 2004.

2 “Bio-Based Chemicals: Value Added Products from Biorefineries”. IEA Bioenergy, Task 42 Biorefinery.

3 T.N. Smith, K. Hash, C.-L. Davey, H. Mills, H. Williams, D.E. Kiely: “Modifications in the nitric acid oxidation of D-glucose”. Carbohydrate Research, 350 (2012), 6–13.

4 E.C.-J. Shiue: “Improvement of D-Glucaric Acid Production in Escherichia coli”. PhD Thesis, MIT, febrero de 2014.

5 Rivertop – Oxidation Process (consultado el 7 de diciembre de 2015).

6 G.M. Diamond, V. Murphy, T.R. Boussie (Rennovia, Inc., Menlo Park, California, USA): “Application of High Throughput Experimentation to the Production of Commodity Chemicals from Renewable Feedstocks”. Modern Applications of High Throughput R&D in Heterogeneous Catalysis (Chapter 8), 2014, 288-309.

7 Nota de prensa de Rennovia (6 de julio de 2015): “Johnson Matthey Process Technologies and Rennovia Announce On Time Start-up of Mini-Plant for Bio-Based Glucaric Acid Production Using Jointly Developed Technology”.

8 Kalion – Portfolio – Glucaric acid (consultado el 10 de diciembre de 2015).

9 Rivertop – Application Directory consultado el 7 de diciembre de 2015).

10 Rennovia – Markets (consultado el 7 de diciembre de 2015).

11 Nota de prensa de Rivertop (6 de octubre de 2015): “Rivertop Renewables and DTI announce commercial production of glucaric acid”.

12 Nota de prensa de Rivertop (29 de marzo de 2016): “Rivertop Renewables and DTI exceed nameplate capacity of first glucarate production facility”.

13 Nota de prensa de Rennovia (21 de febrero de 2017): “Johnson Matthey and Rennovia Announce License Agreement with ADM for Glucaric Acid Production Technology”.
14 Nota de prensa de Berkeley Lab (21 de abril de 2017): “Four Small Businesses to Collaborate with Berkeley Lab Through Small Business Vouchers”.