Estudio de la naturaleza química de biocrudos obtenidos mediante licuefacción hidrotérmica de biomasa lignocelulósica

Abstract

El agotamiento de los combustibles de origen fósil así como los problemas ambientales asociados con su uso promueve la investigación y desarrollo de procesos desvinculados de este tipo de energía y recursos para proveer sustentabilidad al desarrollo humano. La conversión hidrotérmica de biomasa es una tecnología promisoria para obtener combustibles e insumos químicos, utilizando agua y temperaturas cercanas al punto crítico, que en tales condiciones actúa como solvente, catalizador y reactante. En esta tesis se recopilan las reacciones que presentan los componentes estructurales de la biomasa lignocelulósica durante el proceso de Conversión Hidrotérmica (CHT), las variables más relevantes y se realiza por primera vez la licuefacción de un pasto híbrido de alto rendimiento, Pennisetum (Glaucum x Purpureum), generándose 4 fracciones de productos: gases combustibles, fracción acuosa rica en furfural, biocrudo hidrofóbico y un residuo sólido que contiene material repolimerizado, parcialmente pirolizado de la biomasa y cenizas del pasto original, además de partículas de catalizador. El mayor rendimiento, 22,55 % de biocrudo exclusivamente hidrofóbico, se obtuvo cerca de la temperatura crítica del agua en una solución de 1,10 eq/l de carbonato de potasio. El biocrudo se separó en 4 grupos dados por solubilidad en n-heptano y tolueno: Aceites maltoides (AM), Aceites Maltoides Pesados (AMP), Asfaltoides (Asf) y Pre-asfaltoides (Pre-Asf). Los aceites maltoides son la fracción del biocrudo con mayor semejanza a los hidrocarburos líquidos de origen fósil, con un contenido de oxígeno inferior a 1 % y poder calorífico superior a 40 MJ/kg. Su caracterización se realizó en 6 sub-fracciones de compuestos obtenidos mediante una nueva serie eluotrópica para extrografía en columna de alúmina activada, presentando un ambiente químico aromático, alifático y olefínico con policiclos y masas moleculares a partir de 270 uma. El aceite maltoide pesado es un material intermedio entre los aceites maltoides y los asfaltoides, con elevada organización estructural. Los asfaltoides son sustancias de ambiente químico semejante con estructura altamente aromática y olefínica y diferencias en el contenido de grupos funcionales oxigenados que permite su fraccionamiento con n-pentano en al menos 3 sub-fracciones. Tanto los asfaltoides como los aceites maltoides presentan autoasociación y repolimerizan en los solventes de extracción. Los pre-asfaltoides son la fracción de mayor organización estructural en el biocrudo, con menor contenido de oxígeno que los asfaltoides y el más alto contenido de grupos carbaldehído. Su concentración incrementa con el tiempo de almacenamiento y frente a diversos factores de degradación como el oxígeno, calentamiento prolongado, exposición a luz UV y envejecimiento generan un material sólido o bio-lignito, por lo cual es necesario adelantar procesos tendientes a estabilizar el biocrudo. / Abstract. Fossil fuel depletion along with negative environmental impact related to its usage promotes the research and development away from it, in order to provide us sustainable growth. Biomass hydrothermal conversion is a promissory technology to obtain fuels and chemical raw materials using near-critical hot compressed water which acts as solvent, catalyst and reactant under this state. This thesis compiles hydrothermal conversion (HTC, CHT in Spanish) reactions over the lignocellulosic biomass structural components, the most important process variables and it is made for first time the Pennisetum (Glaucum x Purpureum) grass hydrothermal liquefaction. 4 product fractions were generated: gas fuel, furfural-rich aqueous fraction, hydrophobic bio-oil and solid waste materials containing both, repolymerized materials and partially pyrolyzed biomass and ashes from the raw grass as well as catalyst particles. The highest yield is about 22.55 % exclusively hydrophobic bio-oil which was reached near the critical temperature of water in a 1.10 eq/l potassium carbonate solution. Bio-oil was separated into 4 solubility groups by n-heptane and toluene fractionation: Maltoid oils (AM), Heavy maltoid oil (AMP), Asphaltoids (Asf) and Pre-asphaltoids (Pre-Asf). Maltoid oils are the bio-oil fraction with greater similarities to liquid fossil fuel hydrocarbons, oxygen content below 1 % and calorific value up to 40 MJ/kg. 6 maltoid oils sub-fractions obtained through a new extrographic solvent series over an activated alumina column were characterized, showing aromatic, aliphatic and olefinic chemical environment and molecular masses from 270 amu. Heavy maltoid oil is an intermediate material between maltoid oils and asphaltoids, with high organized structure. Asphaltoids substances have similar chemical environment, highly aromatic and olefinic structure and oxygenated functional groups content differences that allow its n-pentane partition into at least 3 sub-fractions. Both maltoid oils and asphaltoids show self-association and further repolymerization in its extraction solvents. Pre-asphaltoids are the largest bio-oil structural organized fraction containing less oxygen than asfaltoides but high carbaldehyde group content. Its concentration increases with storage time and by degradation factors such as oxygen, prolonged heating and UV light exposure. Bio-oil repolymerization process generates a solid material so-called bio-lignite; for this reason, it is necessary to stabilize the bio-oil.