Catalizadores de Ni soportados sobre nanofibras de carbono para la conversión one-pot de celulosa: un análisis cuantitativo de las variables implicadas en la transformación

Abstract

En un contexto de economía circular y desarrollo sostenible, la obtención de materiales, productos químicos y energía a partir de recursos renovables es una tarea prioritaria. En los últimos años, el debate generado alrededor de la explotación de cultivos energéticos para este fin ha desviado el foco de atención hacia la utilización de materiales lignocelulósicos. Uno de los esquemas de procesamiento más extendido es a través de la síntesis de moléculas plataforma, donde los tres componentes mayoritarios de la biomasa se fraccionan y transforman en un número reducido de compuestos químicos, a partir de los cuales se pueden derivar muchos otros productos. En esta línea, el Departamento de Energía de los EEUU ha reconocido al sorbitol como uno de los compuestos químicos más interesantes que se pueden obtener a partir de la fracción celulósica. La conversión directa de celulosa en sorbitol conlleva una etapa inicial de despolimerización ácida en unidades glucosa vía celo-oligómeros (hidrólisis) y la reducción in-situ de los azúcares en sorbitol. Entre las diferentes propuestas catalíticas para llevar a cabo la transformación, una de las opciones más atractivas es el uso de catalizadores metálicos soportados (preferiblemente de bajo coste) en atmosfera reductora y condiciones hidrotermales. Este sistema permite aprovechar la acidez del medio, generada a partir del equilibrio de disociación del agua a alta temperatura, para facilitar la etapa de hidrólisis. No obstante, la posibilidad de reacciones paralelas de los azúcares intermedios (principalmente retro-aldólicas y de degradación térmica), así como transformaciones consecutivas del producto final (hidrógenolisis del sorbitol en alcoholes polihídricos de menor masa molecular), requieren del desarrollo de catalizadores con alta respuesta a la hidrogenación y el ajuste cuidadoso de la condiciones experimentales para su control cinético. En este trabajo, se han utilizado varios catalizadores de Ni soportados sobre nanofibras de carbono para describir cuantitativamente la influencia de un gran número de variables en la selectividad a sorbitol. El análisis incluye aspectos de diseño catalítico (carga metálica y tamaño de cristal), efecto de las condiciones de reacción (tiempo y temperatura) y el transporte difusional de los reactantes (principalmente determinado por el índice de cristalinidad de la celulosa y la presión de H2 gas en el sistema). Los experimentos se realizaron en un reactor tipo discontinuo (Parker Autoclave Engineers, 100 mL), partiendo de sustratos con diferente grado de polimerización e índice de cristalinidad (ICr).