Desarrollando renovables, Las alternativas a base de plantas para los productos químicos derivados del petróleo son una parte importante del esfuerzo para pasar de una economía basada en combustibles fósiles hacia una bioeconomía más sostenible y respetuosa con el medio ambiente. Pero la integración de tecnología nueva y no probada en los sistemas industriales existentes conlleva un elemento de riesgo que ha hecho que la comercialización de tales avances sea un desafío importante.

En una nueva investigación, publicado recientemente en la revista Ciencias de la energía y el medio ambiente , un equipo del Centro de Investigación de Bioenergía de los Grandes Lagos y la Universidad de Wisconsin-Madison describen un proceso eficiente y económicamente factible para producir HMF — 5-hidroximetilfurfural, un químico versátil derivado de plantas que se considera crucial para construir una economía renovable.

Y lo que es más, el proceso es simple y compatible con la infraestructura existente en la industria del jarabe de maíz de alta fructosa, los investigadores muestran.

"Nos integramos en un proceso actual para reducir un poco el riesgo inicial y disminuir el capital inicial requerido para poner las cosas en el suelo y probar la tecnología, "dice Ali Hussain Motagamwala, quien dirigió el proyecto mientras era estudiante de posgrado en ingeniería química y biológica de la UW-Madison.

El HMF se puede utilizar para fabricar una amplia gama de productos químicos, plásticos y combustibles. Es un candidato atractivo para la comercialización en parte porque ya existe un mercado establecido para muchos de los productos elaborados con HMF. Uno es una versión totalmente vegetal del tereftalato de polietileno (PET), el plástico común que se utiliza para fabricar botellas de bebidas y otros envases de alimentos. Por ejemplo, Coca Cola, Danone, y BASF ya han invertido en la producción de ácido furandicarboxílico, un producto químico derivado del HMF que se utiliza para fabricar botellas de plástico 100% biológicas.

Hasta la fecha, sin embargo, El uso de HMF se ha visto limitado por su alto costo de producción. Los plásticos de base biológica son actualmente más caros que sus contrapartes del petróleo, en gran parte debido a la escala de los procesos de fabricación existentes.

"Existe una demanda de alternativas sostenibles. La pregunta es, ¿Cuán competitivos en costos podemos ser con los productos derivados del petróleo? ”, dice Motagamwala.

Profesor de ingeniería química y biológica de la UW-Madison James A. Dumesic, autor principal del artículo, ha estado trabajando durante más de dos décadas en tecnologías para producir HMF de manera sostenible y económica a partir de azúcares derivados de la biomasa.

"Sabemos desde hace muchos años que el HMF es una molécula plataforma con un potencial tremendo, pero ha sido un desafío continuo producir HMF de manera rentable a partir de recursos sostenibles de carbohidratos, "Dumesic dice." Nuestro trabajo inicial se centró en el uso de sistemas de disolventes especiales para producir HMF a partir de fructosa con altos rendimientos ".

El problema siempre ha sido el disolvente en el que se ha producido el HMF.

"Los disolventes que se utilizan generalmente son caros en sí mismos, y la separación del disolvente y el producto encarece aún más el proceso, "Dice Motagamwala." Ahora hemos demostrado que podemos producir HMF con un rendimiento realmente alto, cercano al 95%, con un sistema solvente económico que se puede eliminar muy fácilmente ".

El proceso del equipo GLBRC deshidrata la fructosa a HMF usando un sistema solvente compuesto solo por acetona y agua, con un catalizador ácido sólido estable. Además de ser barato y de fácil acceso, los disolventes son benignos para el medio ambiente y fáciles de separar del HMF resultante.

"Una de las mejores cosas del nuevo proceso es que todas las operaciones unitarias utilizadas son simples y actualmente se emplean en la industria, “Dice Motagamwala. Eso significa una menor inversión de capital y menos riesgo que el que generalmente se asocia con tecnologías no probadas.

Los investigadores realizaron una evaluación tecnoeconómica para evaluar la viabilidad de implementar el nuevo proceso. Muestra que un precio de venta mínimo para HMF de $ 1, 710 por tonelada logrará un retorno de la inversión del 25%, un porcentaje cómodo destinado a generar cierta seguridad en la rentabilidad.

El factor más importante para determinar ese precio es el costo de la materia prima; en este caso, fructosa. Eso significa que una empresa dentro de la industria del maíz ya controlaría el mayor costo del sistema. También significa que cuando la oferta de jarabe de maíz con alto contenido de fructosa es mayor que la demanda, la industria podría derivar el exceso de fructosa a HMF como un flujo de productos de alto valor.

Los investigadores también demostraron cómo se puede expandir el proceso para utilizar glucosa como materia prima. Debido a que la glucosa se puede producir fácilmente a partir de biomasa, es más barata y abundante que la fructosa. Sin embargo, La producción de HMF a partir de glucosa requiere un paso de procesamiento adicional e infraestructura adicional.

Probar la tecnología que utiliza fructosa es el primer paso, según Motagamwala.

"La implementación a largo plazo del proceso es hacer que las plantas comiencen a partir de glucosa, lo que hará que el costo sea aún más bajo, " él dice.