Valorisation of lignocellulosic biomass from agro-industrial wastes assisted by microwave radiation

Zusammenfassung

El trabajo descrito en esta tesis para optar al título de Doctor en Química está centrado en la revalorización de residuos lignocelulósicos para la obtención de precursores de biocombustibles, así como productos de alto valor añadido, mediante el empleo de una técnica sostenible como es la radiación microondas. La alta demanda de materias primas de origen fósil, junto con las emisiones de gases de efecto invernadero a la atmósfera están planteando un reto para la sustitución de estas energías no renovables por otras que sí lo sean. Así, en este trabajo la biomasa lignocelulósica procedente de residuos agroalimentarios se postula como una materia prima alternativa para la obtención de productos de gran interés. De todos los posibles tratamientos de la biomasa, en esta tesis se han empleado dos estrategias. En la primera parte de la tesis, la catálisis ácida asistida por microondas ha sido el tratamiento empleado para la síntesis de precursores de biocombustibles, como son el 5-hidroximetilfurfural y el ácido levulínico; mientras que la segunda parte está enfocada a tratamientos termoquímicos como es la licuefacción hidrotérmica, también asistida por microondas. La celulosa es el polímero mayoritario de la biomasa lignocelulósica, de modo que el capítulo 1 se ha centrado en optimizar un método que permita obtener 5-hidroximetilfurfural y ácido levulínico de forma selectiva, con buenos rendimientos y en condiciones respetuosas con el medio ambiente a partir del polímero de celulosa. En este sentido, la distinción entre sistemas monofásicos y bifásicos ha permitido seleccionar las mejores condiciones de reacción para la síntesis de ácido levulínico y 5-hidroximetilfurfural, respectivamente. El ácido p-toluensulfónico demostró ser un excelente catalizador para llevar a cabo la hidrólisis y deshidratación de la celulosa en sistemas monofásicos, mientras que la montmorillonita KSF resultó ser el mejor catalizador en sistemas bifásicos. Los buenos resultados obtenidos con el estudio a partir de celulosa han permitido aplicar estas condiciones en residuos agroalimentarios como el bagazo de cerveza o la corteza de melón en los capítulos 2 y 3, respectivamente. El trabajo comienza con una caracterización previa de las materias primas, de modo que la fracción minoritaria, que contenía ácidos grasos, fue descartada centrándonos en la hidrólisis y deshidratación de la fracción de polisacáridos. Fue posible obtener 5-hidroximetilfurfural y ácido levulínico de forma selectiva y con buenos rendimientos para ambos residuos. De los dos residuos lignocelulósicos estudiados, el bagazo de cerveza es el que la industria genera en mayor cantidad presentando un grave problema ambiental por su deterioro microbiano. Es por ello, que en el capitulo 4 se ha llevado a cabo una revalorización de este residuo mediante licuefacción hidrotérmica asistida por microondas. Tras un diseño de experimentos donde se plantea el estudio de cuatro variables (presión, temperatura, tiempo y cantidad de catalizador) ha sido posible sintetizar, en presencia de un catalizador soportado de Ni-Co/Al-Mg, un bio-oil con buenas propiedades como biocombustible para el trasporte (alto poder calorífico). Además, se obtuvieron una fracción líquida y un sólido como otros productos de interés en este proceso. Una completa caracterización del sólido ha permitido conocer, en el capítulo 5, que se trata de un material mesoporoso aunque con baja área superficial. Esto revela que es necesario llevar a cabo una activación para sus posibles aplicaciones como adsorbentes. Sin embargo, el poder calorífico de alguno de ellos es superior al del lignito y cercano al coque, lo que le permite tener aplicaciones como posible biocombustible sólido. La microscopía electrónica de barrido, espectroscopia infrarrojo o Raman han permitido conocer en este capítulo la estructura y morfología del sólido. Diferentes técnicas de caracterización como la Resonancia Magnética Nuclear, espectroscopía infrarroja, cromatografía de gases acoplado a espectrometría de masas, cromatografía líquida de alta resolución, espectroscopía Raman, análisis termogravimétrico o análisis elemental, han permitido determinar, caracterizar y/o cuantificar los productos de reacción siendo todas ellas herramientas muy valiosas para conocer los compuestos obtenidos del tratamiento de la biomasa lignocelulósica.