Un nuevo proceso multifase de baja temperatura para convertir el bioaceite de lignina en hidrocarburos podría ayudar a expandir el uso de la lignina, que ahora es en gran parte un producto de desecho que queda de la producción de celulosa y bioetanol de árboles y otras plantas leñosas.

Usando un sistema de catalizador dual de partículas de superácido y platino, Los investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia han demostrado que pueden agregar hidrógeno y eliminar oxígeno del bioaceite de lignina, haciendo que el aceite sea más útil como combustible y fuente de materias primas químicas. El proceso, basado en un ciclo de hidrógeno inusual, se puede realizar a baja temperatura y presión ambiental, mejorando la practicidad de la actualización y reduciendo la entrada de energía necesaria.

"Desde el punto de vista medioambiental y de sostenibilidad, la gente quiere utilizar aceite producido a partir de biomasa, "dijo Yulin Deng, profesor de la Escuela de Ingeniería Química y Biomolecular de Georgia Tech y del Instituto de Bioproductos Renovables. "La producción mundial de lignina a partir de la fabricación de papel y bioetanol es de 50 millones de toneladas anuales, y más del 95% de eso simplemente se quema para generar calor. Mi laboratorio está buscando métodos prácticos para mejorar los compuestos de lignina de bajo peso molecular para hacerlos comercialmente viables como biocombustibles y bioquímicos de alta calidad ".

El proceso fue descrito el 7 de septiembre en la revista Energía de la naturaleza . La investigación fue apoyada por el Instituto de Bioproductos Renovables en Georgia Tech.

Celulosa, hemicelulosas, y la lignina se extraen de los árboles, pastos y otros materiales de biomasa. La celulosa se utiliza para fabricar papel, etanol y otros productos, pero la lignina, un material complejo que da fuerza a las plantas, no se usa en gran medida porque es difícil de descomponer en aceites de baja viscosidad que podrían servir como punto de partida para el queroseno o el combustible diesel.

Las técnicas de pirólisis realizadas a temperaturas superiores a 400 grados Celsius se pueden utilizar para crear bioaceites como los fenoles a partir de la lignina, pero los aceites carecen de suficiente hidrógeno y contienen demasiados átomos de oxígeno para ser útiles como combustibles. El enfoque actual para abordar ese desafío implica agregar hidrógeno y eliminar oxígeno a través de un proceso catalítico conocido como hidrodesoxigenación. Pero ese proceso ahora requiere altas temperaturas y presiones diez veces más altas que las ambientales, y produce carbón y alquitrán que reducen rápidamente la eficacia del catalizador de platino.

Deng y sus colegas se propusieron desarrollar un nuevo proceso basado en solución que agregaría hidrógeno y eliminaría el oxígeno de los monómeros del aceite utilizando un sistema catalítico de tampón de hidrógeno. Debido a que el hidrógeno tiene una solubilidad en agua muy limitada, la reacción de hidrogenación o hidrodesoxigenación del biocombustible de lignina en solución es muy difícil. El grupo de Deng utilizó ácido polioxometalato (SiW ₁₂ ) como agente de transferencia de hidrógeno y catalizador de reacción que ayuda a transferir hidrógeno gaseoso de la interfase gas-líquido a la solución a granel mediante una extracción de hidrógeno reversible. El proceso luego liberó hidrógeno como una especie activa H * en una superficie de nanopartículas de platino sobre carbono, que resolvió el problema clave de la baja solubilidad del hidrógeno en agua a baja presión.

"En el platino, el ácido polioxometalato captura la carga del hidrógeno para formar H ⁺ que es soluble en agua pero las cargas se pueden transferir de forma reversible a H ⁺ para formar H * activo dentro de la solución, "Dijo Deng. Como resultado aparente, El gas hidrógeno se transfiere a la fase acuosa para formar H * activo que puede reaccionar directamente con el aceite de lignina dentro de la solución.

En la segunda parte del inusual ciclo del hidrógeno, el ácido polioxometalato prepara el escenario para eliminar el oxígeno de los monómeros de bioaceites.

"El superácido puede reducir la energía de activación necesaria para eliminar el oxígeno, y al mismo tiempo, tiene más hidrógeno H * activo en la solución, que reacciona sobre las moléculas de aceite, "Dijo Deng." En la solución hay una reacción rápida con el átomo de hidrógeno activo H * y aceite de lignina en la superficie del catalizador. La reacción reversible de hidrógeno con polioxometalato para formar H ⁺ and then to hydrogen atom H* on platinum catalyst surface is a unique reversible cycle."

The platinum particles and polyoxometalate acid can be reused for multiple cycles without reducing the efficiency. The researchers also found that the efficiency of hydrogenation and hydrodeoxygenation of lignin oil varied depending on the specific monomers in the oil.

"We tested 15 or 20 different molecules that were produced by pyrolysis and found that the conversion efficiency ranged from 50 percent on the lower end to 99 percent on the higher end, " Deng said. "We did not compare the energy input cost, but the conversion efficiency was at least ten times better than what has been reported under similar low temperature, low hydrogen pressure conditions."

Operating at lower temperatures—below 100 degrees Celsius—reduced the problem of char and tar formation on the platinum catalyst. Deng and his colleagues found that they could use the same platinum at least ten times without deterioration of the catalytic activity.

Among the challenges ahead are improving the product selectivity by using different metal catalyst system, and developing new techniques for separation and purification of the different lignin biochemicals in the solution. Platinum is expensive and in high demand for other applications, so finding a lower-cost catalyst could boost the overall practicality of the process—and perhaps make it more selective.

While helping meet the demand for bio-based oils, the new technique could also benefit the forest products, paper and bioethanol industries by providing a potential revenue stream for lignin, which is often just burned to produce heat.

"The global lignin market size was estimated at $954.5 million in 2019, which is only a very small portion of the lignin that is produced globally. Claramente, the industry wants to find more applications for it by converting the lignin to chemicals or bio-oils, " Deng said. "There would also be an environmental benefit from using this material in better ways."