Valorización de derivados biomásicos de salvado de trigo con catalizadores basados en circonia nanoporosa

Abstract

A partir de la biomasa lignocelulósica (BL) y los azúcares derivados, es posible obtener una gran variedad de precursores químicos haciendo uso de la catálisis. Entre ellos, el ácido láctico (AL) posee múltiples e innovadoras aplicaciones en la industria cosmética, farmacéutica, alimentaria y en la manufactura de bioplásticos y biosolventes. El objetivo de esta Tesis es sintetizar catalizadores heterogéneos multifuncionales que puedan ser aplicados a la conversión de BL en AL. La circonia fue el material seleccionado debido a su particular comportamiento anfótero que depende del grado de hidratación y estado cristalino. En la primera parte se sintetizó una serie catalizadores basados en circonia hidratada mediante precipitación y sol-gel asistido por un copolímero director de estructura. Las propiedades ácidas, texturales, cristalinas y estructura química de los catalizadores, se determinaron mediante numerosas técnicas de caracterización de sólidos. La conversión hidrotérmica fue la reacción empleada para evaluar el desempeño catalítico de los materiales sintetizados en un reactor discontinuo agitado. En la segunda etapa de esta Tesis se investigó el efecto sinérgico de óxidos metálicos básicos y anfóteros en combinación con los catalizadores sintetizados, para inhibir las reacciones secundarias que causan su desactivación por deposición de huminas. Se hizo uso de las herramientas matemáticas y estadísticas para estudiar las variables influyentes de la reacción y construir modelos de predicción de los productos principales. Las mejores condiciones y los sistemas catalíticos más convenientes se aplicaron a la conversión de recursos biomásicos reales, como el salvado de trigo sometido a diferentes pretratamientos químicos y mecánicos.

It is possible to obtain a wide variety of precursor chemicals using catalysis from lignocellulosic biomass (LB) and derived sugars. Among them, lactic acid (LA) has multiple and innovative applications in the cosmetic, pharmaceutical and food industries and in the manufacture of bioplastics and biosolvents. The objective of this Thesis is to synthesize multifunctional heterogeneous catalysts that can be applied to the conversion of LAB to LA. Zirconia was the selected material due to its particular amphoteric behavior that depends on the degree of hydration and crystalline state. In the first part, a series of hydrated zirconia-based catalysts were synthesized by precipitation and sol-gel assisted by a structure-directing copolymer. The acidic, textural, crystalline properties and chemical structure of the catalysts were determined by numerous solid characterization techniques. Hydrothermal conversion was the reaction used to evaluate the catalytic performance of the synthesized materials in a stirred batch reactor. In the second stage of this Thesis, the synergistic effect of basic and amphoteric metal oxides in combination with the synthesized catalysts was investigated to inhibit the side reactions that cause their deactivation by humin deposition. Mathematical and statistical tools were used to study the influential variables of the reaction and to build prediction models of the main products. The best conditions and the most suitable catalytic systems were applied to the conversion of real biomass resources, such as wheat bran subjected to different chemical and mechanical pretreatments.