Evaluación de la actividad catalítica del Ácido oxálico en la conversión de Celulosa de olote a Ácido levulínico mediante tratamientos hidrotérmicos

Abstract

La biomasa lignocelulósica es un recurso renovable, compuesto principalmente de celulosa, hemicelulosas, lignina, extraíbles y minerales. El maíz es un ejemplo de éste tipo de biomasa, su producción anual es de 10008.52 x106 t (2015). El subproducto principal del cultivo de maíz es el olote, que representa del 9-17% en peso de la mazorca, es decir se generan de 8.65-169.34 x106 t anuales de olote. Se sabe que de los subproductos lignocelulósicos se pueden obtener productos de valor agregado, como los químicos plataforma (a partir de los cuales se pueden generar otros productos con aplicaciones de importancia industrial). Algunos de los métodos para la obtención de éstos químicos son los tratamientos hidrotérmicos, en donde el efecto de la autoionización del agua ayuda a romper los enlaces entre las moléculas que componen a la biomasa. Aunado a esto el uso de catalizadores ácidos orgánicos (como el ácido oxálico) mejora la separación de los componentes (ej. celulosa, hemicelulosas y lignina) a la vez que minimiza la contaminación y la corrosión de equipos y promueve la obtención de nuevos compuestos; cómo el HMF, Furfural y el ácido levulínico. Éste trabajo se centró en el estudio de la actividad catalítica del ácido oxálico, primero en la remoción de hemicelulosas y posteriormente en la conversión de la celulosa presente en el olote, para la producción de ácido levulínico. La metodología comprendió la caracterización de la materia prima, para conocer los porcentajes de sus componentes principales. La remoción de extraíbles para contar únicamente con las tres fracciones principales (celulosa, lignina y hemicelulosas). La elección del tratamiento hidrotérmico adecuado para la remoción de hemicelulosas. La producción de ácido levulínico mediante el uso de ácido oxálico como catalizador. Y el análisis y caracterización de los productos (líquidos) obtenidos en ambas etapas mediante análisis HPLC. Los resultados indicaron que la composición de la materia prima (olote libre de extraíbles) fue 46.9% de celulosa, 34.9% de hemicelulosas, 16.1% de lignina y 2.1% de cenizas (minerales). En la elección del método para la remoción de hemicelulosas se observó que tanto el ácido sulfúrico como el ácido oxálico hidrolizaron más del 50% de la materia prima, sin embargo el análisis HPLC demostró que en aquellas muestras donde se utilizó el ácido oxálico la concentración de xilosa fue mayor en un 35.2% con respectos a las muestras con ácido sulfúrico, por lo que se decidió utilizar ácido oxálico para remover hemicelulosas. En la etapa final (producción de ácido levulínico) se obtuvo un rendimiento máximo de 3.4 %mol. Se cumplió el objetivo general de evaluar la actividad catalítica del ácido oxálico tanto en la remoción de xilanas del olote mediante tratamientos hidrotérmicos, como en la conversión de celulosa de olote (residuo celulosa-lignina después del tratamiento) a ácido levulínico. Con base en el rendimiento de ácido levulínico (0.1-3.4 %mol, 4-6 h y 150 °C) respecto al contenido de celulosa se concluye que la actividad catalítica del ácido oxálico es bastante baja comparada con sistemas que utilizan LiCl-HCl (30.7 %mol, 18 h y 65 °C, paja de trigo), AlCl3-NaCl (46.8 %mol, 2 h y 180 °C, olote) y resinas de intercambio iónico como el Amberlyst-15 (9.0 %mol, 6 h y 120 °C, glucosa).