Obtención de furfural a partir de residuos del cultivo de café empleando materiales catalíticos de hierro soportado en óxido de silicio

Abstract

La industria cafetera en Colombia genera grandes cantidades de biomasa residual, la cual puede ser aprovechada en procesos de biorrefinería como por ejemplo la obtención de moléculas plataforma de alto valor agregado. En el presente estudio se evaluó la posibilidad de implementar residuos del cultivo de café en la producción de moléculas plataforma de alto valor agregado como el furfural a partir de materiales catalíticos de hierro soportado en óxido de silicio (Fe/SiO2) sintetizados por el método sol-gel. Se resalta que hasta la fecha no se reporta en la literatura la producción de furfural a partir de la cereza residual del café. Para la producción de furfural se utilizaron cuatro materiales catalíticos con cargas de 0,5 y 1,5 % de hierro calcinados a dos temperaturas diferentes, 450 y 750 °C. Como hipótesis se mantiene que la biomasa seleccionada cuenta con los carbohidratos estructurales suficientes para ser implementados en la producción de la molécula plataforma de interés, además de esto, se considera que los materiales catalíticos son activos y selectivos en la obtención de furfural.

Los catalizadores fueron evaluados inicialmente con patrones de xilosa con concentración de 3,0 g por L de agua. Se determinó que el catalizador con mayor carga de hierro y calcinado a 750 °C presenta mayor conversión (54,76 %) y selectividad (40,09 %) hacia furfural. Posteriormente, empleando la cereza del café se aplicaron tratamientos de hidrólisis hidrotermal a 170 y 190 °C por 30 y 60 min. Los hidrolizados resultantes fueron implementados en la producción de furfural a 170 °C por 2 horas, en un reactor de diseño propio con atmósfera inerte, usando el catalizador que presenta mayor selectividad obteniendo 9,26 mg de furfural por g de cereza de café. Las condiciones de reacción fueron determinadas tomando en cuenta lo reportado en múltiples estudios. La evaluación del efecto de la temperatura, tiempo en el proceso y carga del metal de transición no fueron evaluadas ya que la cantidad disponible de catalizador era limitada y su síntesis es un proceso altamente costoso.

Se destaca que, la actividad catalítica de los materiales de hierro se debe a la presencia de centros activos (ácidos de Lewis) correspondientes a Fe3+ los cuales promueven la isomerización de la xilosa a xilulosa, facilitando la deshidratación de la pentosa para la formación de furfural. Se concluye que el catalizador es activo y selectivo en el proceso de obtención furfural, a partir de residuos de cultivo café como precursor de moléculas de alto valor agregado como el furfural. (Texto tomado de la fuente)

The coffee industry in Colombia generates large amounts of residual biomass, which can be used in biorefinery processes such as obtaining high value-added platform molecules. In the present study, the possibility of implementing coffee crop residues in the production of high value-added platform molecules such as furfural from iron catalytic materials supported on silicon oxide (Fe/SiO2) synthesized by the sol-gel method was evaluated. It should be noted that to date, the production of furfural from residual coffee cherry has not been reported in the literature. For the production of furfural, four catalytic materials with loadings of 0.5 and 1.5 % iron calcined at two different temperatures, 450 and 750 °C, were used. As a hypothesis it is maintained that the selected biomass has sufficient structural carbohydrates to be implemented in the production of the platform molecule of interest, in addition to this, it is considered that the catalytic materials are active and selective in obtaining furfural.

The catalysts were initially evaluated with xylose standards with a concentration of 3.0 g per L of water. It was determined that the catalyst with higher iron loading and calcined at 750 °C presented higher conversion (54.76 %) and selectivity (40.09 %) towards furfural. Subsequently, using coffee cherry, hydrothermal hydrolysis treatments at 170 and 190 °C for 30 and 60 min were applied. The resulting hydrolysates were implemented in the production of furfural at 170 °C for 2 h, in a reactor of our own design with inert atmosphere, using the catalyst that presents greater selectivity, obtaining 9.26 mg of furfural per g of coffee cherry. The reaction conditions were determined taking into account those reported in multiple studies. The effect of temperature, time in the process and transition metal loading was not evaluated, since the available amount of catalyst was limited and its synthesis is a highly expensive process.

It is highlighted that the catalytic activity of the iron materials is due to the presence of active centers (Lewis acids) corresponding to Fe3+ which promote the isomerization of xylose to xylulose, facilitating the dehydration of the pentose for the formation of furfural. It is concluded that the catalyst is active and selective in the process of obtaining furfural from coffee crop residues as a precursor of high value-added molecules such as furfural.