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UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA Estudio de la naturaleza química de biocrudos obtenidos mediante licuefacción hidrotérmica de biomasa lignocelulósica Alejandro Amadeus Castro Vega Universidad Nacional de Colombia Facultad de Ciencias, Departamento de Química Bogotá D.C., Colombia 2011

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Page 1: Estudio de la naturaleza química de bio-crudos … · El agotamiento de los combustibles de origen fósil así como los problemas ambientales asociados con su ... Análisis de gases

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA

Estudio de la naturaleza química de

biocrudos obtenidos mediante licuefacción

hidrotérmica de biomasa lignocelulósica

Alejandro Amadeus Castro Vega

Universidad Nacional de Colombia

Facultad de Ciencias, Departamento de Química

Bogotá D.C., Colombia

2011

Page 2: Estudio de la naturaleza química de bio-crudos … · El agotamiento de los combustibles de origen fósil así como los problemas ambientales asociados con su ... Análisis de gases

II

Estudio de la naturaleza química de

biocrudos obtenidos mediante licuefacción

hidrotérmica de biomasa lignocelulósica

Alejandro Amadeus Castro Vega

Tesis presentada como requisito parcial para optar al título de:

Doctor en Ciencias - Química

Director:

Profesor José de Jesús Díaz Velásquez

Universidad Nacional de Colombia

Facultad de Ciencias, Departamento de Química

Bogotá D.C., Colombia

2011

Page 3: Estudio de la naturaleza química de bio-crudos … · El agotamiento de los combustibles de origen fósil así como los problemas ambientales asociados con su ... Análisis de gases

A mis hijas,

Verónica Sofía Carolina

Penélope Valeria Alejandra

―Un científico debe tomarse la libertad de plantear

cualquier cuestión, de dudar de cualquier afirmación, de

corregir errores‖

J. R. Oppenheimer

―Quien quiere hacer algo busca un motivo, Quien no

quiere hacer nada busca una excusa‖

Proverbio árabe

Page 4: Estudio de la naturaleza química de bio-crudos … · El agotamiento de los combustibles de origen fósil así como los problemas ambientales asociados con su ... Análisis de gases

IV

Nota de aceptación

Jurado. Gustavo Bolaños, PhD

Jurado. Julián Urresta, PhD

Jurado. Carlos Ariel Cardona Alzate, PhD

Director Programas Curriculares de Química

Jaime Alberto Ríos Motta

Tutor. José de Jesús Díaz Velásquez, MSc, Dr. Ing.

Bogotá D.C., mayo de 2011

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Agradecimientos

A las personas e instituciones que permitieron cada día el avance del presente trabajo por medio de

sus acciones y omisiones.

Agradezco especialmente (en orden cronológico) a:

DIOS, Creador de todo lo visible e invisible, por permitirme existir.

Ligia Cristina Vega Márquez y José Daniel Castro Medina, por darme vida, un nombre y

permitirme desarrollar un ethos cultural expreso y tácito.

José de Jesús Díaz Velásquez, Dr. Ing., Luis Ignacio Rodríguez Varela, MSc y Yazmin Yaneth

Agámez Pertuz, DSc, por escucharme y ayudarme a realizar esta investigación.

Gerardus Christianus Antonius Luijkx, PhD., por brindarme desinteresadamente su tesis

doctoral en Conversión Hidrotérmica de Carbohidratos en momentos que esta no me era

accesible y motivarme a creer en mi iniciativa.

COLCIENCIAS, quien financió parcialmente esta investigación mediante el contrato 202

de 2007; proyecto COL-1101-405-20173: ―Combustibles líquidos por procesos de conversión

hidrotérmica de biomasa‖.

DIB-UN, quien financió parcialmente esta investigación mediante el proyecto ―Combustibles

líquidos por procesos de conversión hidrotérmica subcrítica de biomasas y residuos de

biomasa‖, Código DIB 8003064.

Diego Felipe Botero Suárez y Luís Andrés Sarmiento Pinilla, amigos Ingenieros que

confiaron en mi propósito y sirvieron al logro de esta investigación al ser mis deudores

solidarios ante el ICETEX.

Laura Conde, Ariel Cadena, Johon Pavas, Maycoll Romero, Oscar Cepeda, German Alarcón,

Patricia Pérez, Juan Carlos Cortés y Rocio Lozano; quienes acompañaron y fueron solidarios

en el camino.

Page 6: Estudio de la naturaleza química de bio-crudos … · El agotamiento de los combustibles de origen fósil así como los problemas ambientales asociados con su ... Análisis de gases

VI

RESUMEN

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.

Palabras clave: biocrudo, Pennisetum (Glaucum x Purpureum), conversión hidrotérmica, carbonato de

potasio, fluidos supercríticos.

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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.

Keywords: bio-crude, Pennisetum (Glaucum x Purpureum), hydrothermal conversion, potassium carbonate,

supercritical fluid.

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VIII

CONTENIDO

RESUMEN .............................................................................................................................. VI

ABSTRACT ............................................................................................................................. VII

CONTENIDO ........................................................................................................................ VIII

LISTA DE TABLAS .................................................................................................................. XI

LISTA DE FIGURAS ............................................................................................................... XII

LISTA DE SÍMBOLOS Y ABREVIATURAS .........................................................................XIV

INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................... 1

1. LICUEFACCIÓN HIDROTÉRMICA DE BIOMASA CERCA DEL PUNTO

CRÍTICO DEL AGUA (REVISIÓN). ...................................................................... 5

1.1. INTRODUCCIÓN ..........................................................................................................................................5

1.2. CONVERSIÓN HIDROTÉRMICA DE POLISACÁRIDOS ...................................................................7

1.3. CONVERSIÓN HIDROTÉRMICA DE LIGNANOS...............................................................................9

1.4. CONVERSIÓN HIDROTÉRMICA DE POLIPÉPTIDOS .......................................................................9

1.5. CONVERSIÓN HIDROTÉRMICA DE LÍPIDOS ................................................................................. 11

1.6. CONCLUSIONES. ...................................................................................................................................... 13

2. VARIABLES DE PROCESO RELEVANTES EN LA CONVERSIÓN

HIDROTÉRMICA. ............................................................................................... 15

2.1. INTRODUCCIÓN ....................................................................................................................................... 15

2.2. TIPO DE BIOMASA.................................................................................................................................... 15

2.3. CATALIZADORES ...................................................................................................................................... 16

2.4. TEMPERATURA/PRESIÓN Y TIEMPO DE REACCIÓN. ................................................................ 19

2.5. HUMEDAD, CONCENTRACIÓN DE BIOMASA Y TAMAÑO DE PARTÍCULA. ..................... 20

2.6. ATMÓSFERA Y SISTEMA DE REACCIÓN ......................................................................................... 21

2.7. CONCLUSIONES ....................................................................................................................................... 22

3. LICUEFACCIÓN HIDROTÉRMICA DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA. .... 24

3.1. INTRODUCCIÓN ....................................................................................................................................... 24

3.2. MATERIALES Y MÉTODOS. ................................................................................................................... 24

3.2.1. Selección y caracterización de la biomasa ............................................................................................. 24

3.2.2. Sistema de reacción. ................................................................................................................................... 25

3.2.3. Diseño experimental de las reacciones de CHT. ................................................................................ 26

3.2.4. Separación de los productos de licuefacción. ...................................................................................... 27

3.2.5. Fraccionamiento del biocrudo. ............................................................................................................... 29

3.3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ................................................................................................................. 31

3.3.1. Caracterización del pasto Pennisetum (glaucum x purpureum). .................................................. 31

3.3.2. Recuperación del biocrudo. ..................................................................................................................... 33

3.3.3. Licuefacción con variación en la concentración de catalizador. ..................................................... 34

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3.3.4. Licuefacción con variación de la relación agua:biomasa. ................................................................. 36

3.3.5. Licuefacción con variación del tiempo de reacción. ......................................................................... 37

3.3.6. Superficie de respuesta paraCHT de grama Pennisetum (glaucum x purpureum)................... 38

3.3.7. Valoración del biocrudo de mayor rendimiento como combustible. .......................................... 39

3.4. CONCLUSIONES ....................................................................................................................................... 40

4. FAMILIAS QUÍMICAS PRESENTES EN EL BIOCRUDO CHT-13.................... 42

4.1. INTRODUCCIÓN ....................................................................................................................................... 42

4.2. ESTADO DEL ARTE DEL ESTUDIO DE LA NATURALEZA QUÍMICA DE UN BIOCRUDO

42

4.3. MATERIALES Y MÉTODOS .................................................................................................................... 45

4.3.1. Separación del biocrudo y preparación de fracciones. ...................................................................... 45

4.3.2. Extrografía de aceites maltoides. ............................................................................................................. 45

4.3.3. Fraccionamiento de asfaltoides. .............................................................................................................. 45

4.3.4. Análisis próximo, elemental y poder calorífico. ................................................................................. 45

4.3.5. Termogravimetría acoplada a masas y calorimetría. .......................................................................... 46

4.3.6. Resonancia magnética nuclear y espectroscopía infrarroja.............................................................. 46

4.3.7. Cromatografía de gases acoplada a espectrometría de masas. .......................................................... 46

4.3.1. Presión de vapor. ........................................................................................................................................ 46

4.3.2. Microscopía electrónica de barrido. ....................................................................................................... 47

4.4. RESULTADOS Y ANÁLISIS. ..................................................................................................................... 47

4.4.1. Extrografía de aceites maltoides .............................................................................................................. 47

4.4.2. Fraccionamiento de asfaltoides. .............................................................................................................. 50

4.4.3. Análisis próximo, elemental y poder calorífico. ................................................................................. 51

4.4.4. Termogravimetría acoplada a espectrometría de masas y calorimetría diferencial.................... 53

4.4.5. Espectroscopía infrarroja y resonancia magnética nuclear .............................................................. 60

4.4.6. Cromatografía de gases y líquida acoplada a espectrometría de masas. ........................................ 71

4.4.7. Caracterización de la presión de vapor de los aceites maltoides. .................................................... 73

4.4.8. Microscopía electrónica de barrido de aceites maltoides pesados, asfaltoides y pre-asfaltoides. ..

......................................................................................................................................................................... 75

4.5. CONCLUSIONES ....................................................................................................................................... 76

5. ESTUDIO DE LA ESTABILIDAD DEL BIOCRUDO CHT-13 ........................... 78

5.1. INTRODUCCIÓN ....................................................................................................................................... 78

5.2. MATERIALES Y MÉTODOS .................................................................................................................... 79

5.2.1. Separación del biocrudo ........................................................................................................................... 79

5.2.2. Viscosidad ..................................................................................................................................................... 79

5.2.3. Tensión superficial. .................................................................................................................................... 79

5.2.4. Termogravimetría....................................................................................................................................... 79

5.3. RESULTADOS Y ANÁLISIS ...................................................................................................................... 80

5.3.1. Comportamiento reológico del biocrudo. ............................................................................................ 80

5.3.2. Pruebas de tensión superficial de aceites maltoides y asfaltoides ................................................... 81

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5.3.3. Termogravimetría de maltoides frescos y envejecidos ....................................................................... 84

5.3.4. Pruebas de ESS y envejecimiento artificial de biocrudo................................................................... 86

5.3.5. Pruebas DRX sobre fracciones de biocrudo y bio-lignito. ............................................................... 87

5.3.6. Análisis del bio-lignito. .............................................................................................................................. 90

5.4. CONCLUSIONES ....................................................................................................................................... 92

6. EXPLORACIÓN DE PROCEDIMIENTOS TENDIENTES A REDUCIR

ELCONTENIDO DE OXÍGENO ENEL BIOCRUDO. ........................................ 94

6.1. INTRODUCCIÓN ....................................................................................................................................... 94

6.2. Materiales y métodos. ..................................................................................................................................... 95

6.3. Resultados y discusión. .................................................................................................................................... 96

6.4. CONCLUSIONES ....................................................................................................................................... 98

7. SUBPRODUCTOS IN SITU DEL BIOCRUDO: FRACCIÓN ACUOSA,

CARBONIZADOS Y GASES. ..............................................................................100

7.1. INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................................... 100

7.2. MATERIALES Y MÉTODOS .................................................................................................................. 101

7.2.1. Preparación de la fracción acuosa. ....................................................................................................... 101

7.2.2. Análisis de la fracción acuosa por cromatografía líquida. ............................................................. 101

7.2.3. Análisis de gases por espectrometría de masas. ................................................................................. 101

7.2.4. Análisis del residuo sólido. ..................................................................................................................... 101

7.3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ............................................................................................................... 102

7.3.1. Análisis de la fracción acuosa................................................................................................................. 102

7.3.2. Análisis de gases de reacción. ................................................................................................................. 104

7.3.3. Análisis delresiduo sólido de CHTde pasto Pennisetum (glaucum x purpureum). ................ 105

7.4. CONCLUSIONES ..................................................................................................................................... 108

8. CONCLUSIONES Y SUGERENCIAS PARA TRABAJO FUTURO...................109

8.1. CONCLUSIONES ..................................................................................................................................... 109

8.2. SUGERENCIAS.......................................................................................................................................... 110

PRODUCCIÓN CIENTÍFICA Y RECONOCIMIENTOS ......................................................112

8.3. PUBLICACIONES ..................................................................................................................................... 112

8.4. PARTICIPACIÓN EN EVENTOS. ......................................................................................................... 112

8.5. RECONOCIMIENTOS............................................................................................................................. 113

ANEXOS ................................................................................................................................ A

A.1. PROPIEDADES SELECTAS DE LA MOLECULA DE AGUA............................................................. A

A.2. CALCULO DEL α0 PARA ANALISIS 1H-RMN. ...................................................................................... B

REFERENCIAS ......................................................................................................................... D

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LISTA DE TABLAS

Tabla 1. Catalizadores de licuefacción hidrotérmica de biomasa y sustancias modelo. .............................................. 17

Tabla 2. Análisis próximo del pasto Pennisetum (glaucum x purpureum). ................................................................. 32

Tabla 3. Composición de cenizas del pasto Pennisetum (glaucum x purpureum). ...................................................... 32

Tabla 4. Composición elemental del pasto Pennisetum (glaucum x purpureum) en base seca. .................................. 32

Tabla 5. Composición nutricional aproximada del pasto Pennisetum (glaucum x purpureum). ................................ 33

Tabla 6. Efecto de la concentración del catalizador en la conversión hidrotérmica de pasto Pennisetum (glaucum x

purpureum). ..................................................................................................................................................... 34

Tabla 7. Efecto de la relación agua:biomasa en la conversión hidrotérmica de pasto Pennisetum (glaucum x

purpureum). ..................................................................................................................................................... 36

Tabla 8. Efecto del tiempo de reacción en la conversión hidrotérmica de pasto Pennisetum (glaucum x purpureum). ..

........................................................................................................................................................................ 37

Tabla 9. Rendimientos de biocrudo en base seca libre de cenizas. ............................................................................... 38

Tabla 10. Fracciones de biocrudo obtenidas de la primera etapa de separación con solventes selectivos. .................... 40

Tabla 11. Fraccionamiento químico de alquitranes por medio de exclusión con solventes selectivos (método SESC) en

columna de sílica activada. ............................................................................................................................ 43

Tabla 12. Solventes y soluciones para separación extrográfica de aceites maltoides...................................................... 48

Tabla 13. Fracciones de asfaltoides obtenidas del fraccionamiento por precipitación por medio de resolublización en

cloroformo y precipitado con pentano. ............................................................................................................ 50

Tabla 14. Fraccionamiento de asfaltoides por precipitación con n-pentano. ................................................................. 50

Tabla 15. Análisis próximo de sub-fracciones de biocrudo CHT-13. ............................................................................. 51

Tabla 16. Composición elemental, relaciones atómicas H:C, O:C y poder calorífico desub-fracciones de biocrudo

CHT-13. ......................................................................................................................................................... 52

Tabla 17. Absorbancia máximas en torno de 1580, 1440 cm-1 y su relación, de sub-fracciones de biocrudo CHT-13. ..

................................................................................................................................................................... 62

Tabla 18. Porcentajes de área de tipos de hidrógenos para aceites maltoides ................................................................ 68

Tabla 19. Porcentajes de área de tipos de hidrógenos para asfaltoides y pre-asfaltoide. ................................................ 69

Tabla 20. Porcentajes especificos de área de integración para 1H-RMN de aceites maltoides ..................................... 70

Tabla 21. Porcentajes especificos de area de integración para 1H-RMN de asfaltoides y pre-asfaltoide ...................... 70

Tabla 22. Asignación a estructuras con semejanza a espectros de masas en el biocrudo CHT-13 des-asfaltado. ....... 72

Tabla 23. Relaciones atómicas O:C, Al:C, Si:C, Cl:C y K:C para AMP, Asf 1, Asf 2, Asf 3, Asf 4 y Pre-Asf. ...... 76

Tabla 24. Parámetros de difracción de rayos X para pre-asfaltoide y bio-lignito. .......................................................... 88

Tabla 25. Parámetros de difracción de rayos X para asfaltoide y asfaltoide envejecido. .............................................. 90

Tabla 26. Composición elemental del bio-lignito y de un lignito natural. ..................................................................... 90

Tabla 27. Conversión y rendimiento de biocrudo para experiencias de CHT de pasto Pennisetum en las que se busca

reducir el contenido de oxígeno. ...................................................................................................................... 96

Tabla 28. Composición elemental relaciones atómicas H:C y O:C para experiencias de CHT de pasto Pennisetum

en las que se busca reducir el contenido de oxígeno. ...................................................................................... 97

Tabla 29. Resumen de las bandas de los espectros infrarrojos de sólidos precipitados de la fracción acuosa CHT-13,

polímero de furfural y su asignación a grupos funcionales. ......................................................................... 103

Tabla 30. Análisis próximo (%), elemental (%) y poder calorífico del residuo sólido CHT-13................................... 105

Tabla 31. Composición elemental para el residuo sólido CHT-13 por EDAX. ......................................................... 107

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Balance energético de la radiación incidente sobre la Tierra proveniente desde el Sol23. ..........................2

Figura 2. Crecimiento del precio relativo del petróleo WTI desde 1930 hasta 2030 ( proyección). ........................3

Figura 3. Comparación de costos de procesos de degradación y/o transformación de biomasa en bio-combustibles o su disposición. ...........................................................................................................................................4

Figura 4. Esquema global de rutas y productos de conversión hidrotérmica de macromoléculas orgánicas de la biomasa. .......................................................................................................................................................6

Figura 5. Esquema global de reacciones de la celulosa al ser sometida a conversión (licuefacción-gasificación) hidrotérmica. ................................................................................................................................................8

Figura 6. Esquema de reacción generalizado para monómeros de lignina y derivados fenólicos sometidos a conversión hidrotérmica subcrítica. .......................................................................................................... 10

Figura 7. Esquema generalizado de rutas de conversión hidrotérmica de un polipéptido. ..................................... 11

Figura 8. Avance de hidrólisis[] y valor ácido de los productos [] en función del contenido de agua en el medio de reacción, para experimentos realizados a 533 K con aceite de soya. ................................................ 12

Figura 9. Comparación de la constante de reacción para la conversión hidrotérmica de celobiosa a condiciones sub y supercríticas. .................................................................................................................................... 20

Figura 10. Avance de CHT en función de la concentración de biomasa ................................................................. 21

Figura 11. Diagrama delsistema de reacción utilizado para CHT. ........................................................................ 25

Figura 12. Esquema del interior y sellado del reactor (sin el agitador dibujado) y diseño del agitador: A. vista superior y B. vista lateral; empleado en las reacciones de CHT. ............................................................ 26

Figura 13. Esquemas delixiviación del biocrudo y recuperación mediante evaporación del solvente. ...................... 28

Figura 14. Proceso de recuperación de biocrudo y separación de productos de CHT. .............................................. 30

Figura 15. Diagrama de Pareto para la distribución de tamaños de partícula de pasto Pennisetum (glaucum x purpureum). .............................................................................................................................................. 31

Figura 16. Espectros de masas de los vapores del proceso de recuperación de biocrudo. .......................................... 35

Figura 17. Superficie de respuesta a las condiciones de experimentación. ................................................................ 39

Figura 18. Cromatogramas para n-heptano recuperado de la columna de alúmina activada fresca (línea negra, 8 min), patrón de n-heptano (línea roja pronunciada, 8 min) y una solución de decanos (línea baja con tres picos, 8-22 min). ................................................................................................................................ 48

Figura 19. Extrogama de los aceites maltoides en columna de alúmina activada. .................................................. 49

Figura 20. Diagrama de Van Krevelen para sub-fracciones de biocrudo CHT-13 .................................................. 53

Figura 21. Termogravimetría del biocrudoCHT-13 y las masas con mayor variación detectadas. ......................... 54

Figura 22. Termograma y calorimetría diferencial de barrido del biocrudoCHT-13. .............................................. 55

Figura 23. Termogravimetría de los aceites maltoides de biocrudoCHT-13. ............................................................ 56

Figura 24. Termogravimetría de asfaltoides y pre-asfaltoide de biocrudoCHT-13. .................................................. 57

Figura 25. Masas notorias emitidas durante la pirólisis de aceites maltoidesCHT-13............................................ 58

Figura 26. Masas notorias emitidas durante la pirólisis de asfaltoides CHT-13. .................................................... 59

Figura 27. Masas notorias emitidas durante la pirólisis de pre-asfaltoides CHT-13. .............................................. 59

Figura 28. Espectros infrarrojos de aceites maltoides obtenidos por extrografía. ..................................................... 60

Figura 29. Espectros infrarrojos de aceite maltoide pesado, asfaltoides y preasfaltoide. .......................................... 61

Figura 30. Espectros 1H-NMR de aceites maltoides 1,2 y 3. .................................................................................... 64

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Figura 31. Espectros 1H-NMR de aceites maltoides 4 y 5. ....................................................................................... 65

Figura 32. Espectros 1H-NMR de aceite maltoide 6 y aceite maltoide pesado ........................................................ 66

Figura 33. Espectros 1H-NMR de asfaltoides 1, 3 y 4 .............................................................................................. 67

Figura 34. Espectro 1H-NMR de pre-asfaltoide ......................................................................................................... 68

Figura 36. Presión de vapor de aceites maltoides entre 283 y 453 K en estado fresco ............................................ 74

Figura 37. Logaritmo natural de la presión de vapor en función del inverso de la temperatura (K) de los aceites maltoides CHT-13. .................................................................................................................................. 74

Figura 38. Fotografías SEM de aceite maltoide pesado, asfaltoide 1 y asfaltoide 2 ................................................ 75

Figura 39. Fotografías SEM de asfaltoide 3, asfaltoide 4 y preasfaltoide ................................................................ 75

Figura 50. Termograma de biocrudos repolimerizados (bio-lignitos) sin catalizador (inferior),con catalizador (medio) y curado (superior) en atmósfera de N2a 5 K/min.................................................................... 91

Figura 51. Espectro infrarrojo del bio-lignito CHT-13 (trazado superior) y curado (trazado inferior). ................... 92

Figura 52. Relación atómica H:C en función de las relación atómica O:C para las experiencias de desoxigenación in situ del biocrudo y la experiencia CHT-13. ........................................................................................ 98

Figura 53. Espectros infrarrojos de sólido formado y separado de patrón de furfural (arriba), y sólido formado y separado de la fracción acuosa CHT-13 (abajo) .................................................................................. 103

Figura 54. Espectro de masas de los gases de CHT de pasto Pennisetum (glaucum x purpureum)....................... 104

Figura 55. Fotografías SEM de carbonizados de pasto Pennisetum al llegar a la condición supercrítica. ............ 106

Figura 56. Fotografías SEM de carbonizados de pasto Pennisetum a condiciones supercríticas después de 60 minutos de reacción. ............................................................................................................................... 107

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LISTA DE SÍMBOLOS Y ABREVIATURAS

Símbolos con letras latinas Símbolo Término Unidad SI

A Área, unidades cuadradas

K Kelvin, unidad de temperatura absoluta K

J Joule, unidad de energía kg m2/s2

Pa Pascal, unidad de presión kg/m/s2

pH potencial de hidrógeno

Eq/l Equivalentes por litro 1H Protón, hidrógeno 13C Carbono

g gramo g

k kilo 1000

M mega 1000000

Símbolos con letras griegas Símbolo Término Unidad SI

τ Tiempo espacial de residencia en un sistema de reacción s

π Reflexión atribuible al apilamiento de capas aromáticas en

difracción de rayos X

γ Reflexión del material carbonoso amorfo en difracción de

rayos X

δ Balanceo de enlaces en espectroscopía infrarroja υ Tensión de enlaces en espectroscopía infrarroja

α0 Alfa sub cero, máxima fracción media de la integral en 1H

RMN de la muestra, atribuible a OH fenólico o a O-CHn

θ grado

Subíndices Subíndice Término

bslcz Base seca libre de cenizas

arom Aromático

alif Alifático

n Coeficiente, número indefinido de unidades

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Superíndices Superíndice Término

-1 Inverso (de la magnitud correspondiente) § Calculado por diferencia hasta la unidad o 100 por ciento

Abreviaturas

Abreviatura Término

CHT Conversión hidrotérmica

ESS Exclusión con solventes selectivos

FSC Fluidos supercríticos

MEC Metil-etil-cetona (2-butanona)

THF Tetrahidrofurano

AM Aceites maltoides

Asf Asfaltoides

Pre-Asf Pre-asfaltoides

TGA Termogravimetría

RMN Resonancia magnética nuclear

SEM Scanning electronic microscopy (microscopía electronica de barrido)

EDS Energy dispersive spectrometry (espectrometría de energía dispersada)

DSC Differential scanning calorimetry (calorimetría diferencial de barrido)

MS Mass spectrometry (espectrometría de masas)

GC-MS Gas chromatography (cromatografía de gases)

LC Liquid chomatography (cromatografía líquida)

APCI Atmospheric pressure chemical ionization (ionización química)

ESI Electrospray ionization (ionización por aspersión)

DRX Difractometría de rayos X

CMC Concentración micelar crítica

b.s. Base seca

bslcz Base seca libre de cenizas

n.d. No determinado

n.dtc No detectado

n.a. No aplica

min minutos

rpm Revoluciones por minuto

UAP Ultra alta pureza

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Estudio de la naturaleza química de biocrudos obtenidos mediante licuefacción hidrotérmica de biomasa lignocelulósica 1

INTRODUCCIÓN

Las repercusiones negativas concernientes al calentamiento global por la explotación y uso de

combustibles fósiles impulsan iniciativas que buscan fuentes energéticas y de insumos renovables.

Varias tecnologías de transformación termoquímica fueron desarrolladas para convertir la biomasa en

bio-combustibles con un alto valor energético, tales como gasificación, pirólisis y conversión

hidrotérmica. El término ‗hidrotérmico‘ fue propuesto a comienzos del siglo XIX por el geólogo

escocés Roderick I. Murchison1 para describir el ambiente existente en las reacciones de algunas rocas

y minerales en regiones acuosas al interior de la corteza terrestre, donde se encuentran a menudo las

condiciones supercríticas del agua (647,15 K de temperatura y 221 kPa de presión).

Desde finales del siglo XX, los fluidos supercríticos (FSC) y las conversiones hidrotérmicas (CHT) se

han explorado ampliamente como medios y condiciones de reacción para numerosas aplicaciones

industriales2. En la actualidad se usan en reacciones químicas3,4 y separaciones5, valiéndose para esto

del amplio espectro de propiedades que se logran con ligeros cambios en presión y temperatura y la

disminución de las limitaciones de transporte de masa por la posibilidad de realizar reacciones en fase

homogénea6. Este hecho puede aplicarse para transformar la biomasa en combustibles y productos de

interés comercial con alto valor agregado7. Desde la década de 1960 empezaron a aprovecharse ciertas

propiedades observadas en reacciones orgánicas de CHT para destruir contaminantes orgánicos,

pesticidas y residuos de biomasa8. Para este último procedimiento, los materiales se tratan en agua

sub- o supercrítica y como subproducto de interés energético se genera y separa un líquido orgánico

viscoso, denominado ‗biocrudo‘, con poder calorífico superior a 30 MJ/kg9.

Las investigaciones tradicionales en conversión hidrotérmica se han realizado sobre sustancias

modelo, entre las que se cuentan ácidos carboxílicos/aldehídos10, aminas/iminas11, 12, 13, amidas14, 15,

nitro compuestos16, 17, ésteres18, 19, 20, 21, éteres22, 23, acetales24; haluros de alquilo25, anhídridos26, y

silanos27. Adicional a esto, eventualmente se han analizado compuestos modelo para los componentes

de la biomasa como glucosa, furfural, ácido levulínico y lignina28 y algunos grupos de investigación ya

trabajan formalmente la biomasa lignocelulósica como fuente de biocrudos29.

Los combustibles fósiles provienen de la degradación lenta de diferentes tipos de biomasa, y

actualmente, bajo la forma de combustible no renovable, se consumen 10.000 veces más rápido de lo

que demoraron en formarse30. Bajo este punto de vista, es factible reproducir estos fenómenos de

degradación por medio del aprovechamiento energético de la biomasa en el planeta, bajo políticas de

seguridad ambiental y alimentaria. En la figura 1 se muestra un balance de la energía incidente del

Sol sobre la tierra. Del 100 % de la energía incidente, alrededor del 29 % puede aprovecharse en el

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2

planeta, para suplir las necesidades de consumo de la población humana y la subsistencia de los otros

seres vivos31.

Figura 1. Balance energético de la radiación incidente sobre la Tierra proveniente desde el Sol23.

La demanda energética continúa creciendo, así como el costo relativo del petróleo (tomando como

base el precio de diciembre de 1900 y así sucesivamente los precios a diciembre de cada año) como se

observa en la figura 232. Este energético, actualmente es imprescindible y, aunque su precio se afecta

por problemas de tipo geopolítico, sigue una tendencia alcista hasta el 2030. Ante este hecho y el

agotamiento de las grandes reservas de petróleo, existe la necesidad de cambiar de ruta para la

sustentabilidad energética y apuntar esfuerzos hacia fuentes de energía y las respectivas tecnologías

desvinculadas de los combustibles fósiles33. En este propósito, la biomasa representa una solución

absolutamente realista y coherente con el objeto de mejorar la calidad de vida34, 35, 36.

La conversión hidrotérmica de biomasa es una tecnología promisoria para obtener combustibles e

insumos líquidos a partir de recursos renovables. En esta tecnología se utiliza agua en estado líquido y

temperaturas elevadas37, 38 a una presión suficiente para mantenerla en fase líquida39, y en tales

condiciones actúa simultáneamente como solvente, catalizador y reactante40, 41. La condición

hidrotérmica se favorece por el desprendimiento de dióxido de carbono en estado supercrítico, que

incrementa la presión del sistema. En la conversión hidrotérmica con una temperatura alta en pocos

minutos y en presencia de catalizadores pueden lograrse los mismos resultados que con un aumento

moderado en la temperatura en un tiempo geológico largo42. En la naturaleza, estas reacciones

pudieron ser catalizadas por minerales ácidos, básicos, o sales. Para emular el ambiente de

maduración de la biomasa hacia petróleo y determinar el efecto de la fuerza iónica y los catalizadores,

se han simulado los ambientes geológicos que pudieron dar origen al petróleo, efectuando pirólisis de

23% reflejada por las nubes

100% de la radiación solar

incidente (1367W/m²)

17% absorbido en la atmósfera

6% perdido en difusión de vapor

7% reflejado por el suelo terrestre

~2000km

18% perdida como radiación de onda larga (>4mm)

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Estudio de la naturaleza química de biocrudos obtenidos mediante licuefacción hidrotérmica de biomasa lignocelulósica 3

querógeno en medio acuoso43, 44, 45 y reacciones por tiempos muy prolongados (semanas), en presencia

de sal (cloruro de sodio) y arcillas46.

Figura 2. Crecimiento del precio relativo del petróleo WTI desde 1930 hasta 2030 (proyección).

El proceso de conversión hidrotérmica ha evolucionado desde una técnica simple para disponer

residuos, hacia un proceso rentable de obtención de biocrudos, insumos químicos, gases combustibles

y otros subproductos, según el tipo de biomasa empleada. La historia de la conversión hidrotérmica

de biomasa puede mostrarnos que, a partir de ella, se pueden lograr no solo nuevos combustibles

renovables47 y biocrudos, sino numerosos insumos químicos cuyo mercado se podría dirigir u orientar

mediante el empleo de diferentes tipos de biomasa y de catalizadores. Otros sub-productos de la

conversión hidrotérmica incluyen sustancias acuosas como fufurales, aldehídos, fenoles y materiales

carbonizados para uso como soportes catalíticos y adsorbentes48.

Algunos procesos para obtención de combustibles son también procesos de disposición o destrucción;

al ahondar en la comparación de los respectivos costos de disposición o producción de materiales

combustibles (figura 3) se aprecia que los fenómenos naturales son los que menor costo exhiben y al

mismo tiempo los que mayor variedad de biomasa y valores de humedad puede trabajar (oxidación,

fermentación, digestión), a un costo tres órdenes de magnitud inferiores a los de pirólisis, por

ejemplo, luego son más convenientes al momento de explorar sus condiciones de operación y costo

marginal de los bio-combustibles logrados. La CHT se destaca ampliamente en este marco, pues

puede abarcar un intervalo de humedad de residuos y biomasas casi universal y su costo es

equiparable al de la oxidación biológica de biomasa y residuos de biomasa, según lo mostrado en la

figura 3. Estos alquitranes o biocrudos obtenidos por medio de conversión hidrotérmica pueden

llegar a contener valores de oxígeno, bajo la forma de funcionalidades oxigenadas (ácidos, aldehídos,

cetonas, éteres) que potencian la inestabilidad del nuevo combustible y por tanto es necesario sumar a

0

2

4

6

8

10

12

14

16

1930

1940

1950

1960

1970

1980

1990

2000

2010

2020

2030

Año

Precio relativo (1900=1)

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4

la exploración simple del proceso un estudio sobre diferentes tipos de biomasa lignocelulósica,

residuos de biomasa y sinergia en catalizadores que puedan generar biocrudos de mejor calidad y ser

prospectos de combustibles sustitutos a futuro.

Figura 3. Comparación de costos de procesos de degradación y/o transformación de biomasa en

bio-combustibles o su disposición.49

En este trabajo se estudia la aparición, aumento o disminución de familias químicas hidrocarbonadas

presentes en los biocrudos de licuefacción hidrotérmica de biomasa lignocelulósica, respecto del

cambio en las principales variables de proceso y se obtiene un valor de rendimiento óptimo, sobre el

cual se analiza la naturaleza química, estabilidad física de dicho biocrudo y se exploran

procedimientos físicos o químicos que permitan extender la vida útil del biocrudo de licuefacción

hidrotérmica de biomasa lignocelulósica para su uso o implementación en combustibles o como

insumo químico renovable. La presente tesis investiga los antecedentes de la conversión hidrotérmica

de biomasa lignocelulósica y las variables más importante de este proceso, se elige un género de

forraje de la familia Pennisetum, de rápido crecimiento, se lleva a reacción de CHT y al biocrudo

obtenido se le explora su ambiente químico por medio de espectrometría infrarroja, cromatografía

gaseosa y termogravimetría acoplada a detección de masas, resonancia magnética nuclear, reología,

difracción y refracción de rayos X y microscopía electrónica de barrido. Adicionalmente se analizaron

los residuos sólidos, gases de reacción y productos acuosos de la reacción óptima.

0,1

1,0

10,0

100,0

1000,0

1 10 100 1000 10000 100000 1000000

PPM de materia orgánica

US$/m³ residuos

Incineración y piró lisis

Inyeccion de residuos

Oxidación bio lógica

Oxidacion química

Procesos hidrotérmicos

Relleno sanitario

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Estudio de la naturaleza química de biocrudos obtenidos mediante licuefacción hidrotérmica de biomasa lignocelulósica 5

1. LICUEFACCIÓN HIDROTÉRMICA DE BIOMASA

CERCA DEL PUNTO CRÍTICO DEL AGUA (REVISIÓN).

1.1. INTRODUCCIÓN

La pirólisis de macromoléculas orgánicas produce anhidrooligómeros50, que tras sucesivas

degradaciones, pueden generar gases y líquidos con contenidos de oxígenos altos, carbonizados y

cenizas. En el procedimiento clásico de pirólisis de biomasa, cuando el material orgánico se procesa

húmedo (contenido de humedad cercano a 50%)51, se observa el incremento de la fracción líquida de

biocrudo. Este fenómeno constituye el primer acercamiento y transición entre la pirólisis y la

conversión hidrotérmica, removiéndose oxígeno de las macromoléculas de la biomasa 52 y los

productos presentan un poder calorífico superior, asemejándose al de los hidrocarburos53. La

remoción del oxígeno sucede principalmente por eliminación de dióxido de carbono y agua54.

La licuefacción y gasificación hidrotérmica de biomasa inician con mecanismos de ruptura. Las

moléculas que contienen enlaces tipo éter, fenol o amina se hidrolizan y pirolizan simultáneamente.

Existe una condición de equilibrio entre los monómeros y el polímero55, y los radicales orgánicos

formados se recombinan a una velocidad aproximada de 109 a 1010 mol•s-156. Los grupos funcionales

pirolizados generan moléculas pequeñas y gases.

La solubilización de los monómeros de biomasa es apreciable a partir de 603 K57, 58. En la celulosa

ocurre despolimerización hacia glucosa, isómeros y oligómeros. Los radicales pueden estabilizarse

transfiriendo un átomo de hidrógeno a otros radicales56, repolimerizando, adicionándose a otros

radicales o participando en reacciones de abstracción o escisión59. Sin dicha estabilización aparecen

alquitranes y carbonizados entre los productos.

La información anterior permite sugerir el esquema global de conversión que se muestra en la figura

1 para las macromoléculas orgánicas despolimerizadas en condición hidrotérmica presentes en la

biomasa. Este esquema es válido solamente si la conversión se realiza en ausencia de especies

oxidantes, condición última necesaria para que el procedimiento se asemeje a la fosilización natural

de macromoléculas que dieron origen al petróleo. La biomasa puede despolimerizar por tres vías: la

primera es una escisión aleatoria en la que la macromolécula se encuentra en equilibrio con sus

mesómeros (nM ↔ (M)n) para dar productos de pirólisis que pueden estabilizarse por hidratación o

generar productos gaseosos. La segunda vía es la hidrólisis ocasionada por la acción del agua y sus

especies disociadas; los monómeros y oligómeros obtenidos pueden presentar pirólisis de

sustituyentes para producir gases o presentar reacciones de condensación aldólica. La tercera vía es

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6

una deshidratación que conduce directamente a los productos de condensación aldólica, tales como

aldehídos, aromáticos y si existen lípidos, pueden tenerse alcanos y alquenos. Estos productos pueden

repolimerizar en hetero y policiclos, fuentes de alquitranes y carbonizados, o pirolizar para dar gases.

Figura 4. Esquema global de rutas y productos de conversión hidrotérmica de macromoléculas

orgánicas de la biomasa.

Las moléculas, producto de conversión hidrotérmica, siguen un patrón de evolución regido por la

intensidad de la descarboxilación. En la CHT de celulosa se reduce la relación (O:C) desde el

comienzo de la reacción y cuando los productos presentan una relación (H:C) igual a uno se tienen

biocrudos. Las reacciones de pirólisis conducen a la producción de gases (metano) y a reacciones de

repolimerización que, aunque reducen la relación (O:C), también disminuye la relación (H:C) a

valores por debajo de 1 y los productos muestran semejanzas con la composición de los carbones.

En todos los tipos de biomasa hay confluencia de las principales moléculas discutidas en este capítulo;

si bien en la biomasa vegetal predominan los polisacáridos60, y los lípidos solo son considerables en

pocas plantas especializadas, la existencia e inclusión de trazas o bajos porcentajes de lípidos en

sistemas de conversión hidrotérmica es benéfica, pues su intervención en las demás reacciones de

conversión ocasiona un aumento en el rendimiento de productos líquidos, lo cual supone que los

lípidos inhiben la gasificación sin afectar la conversión o rutas de reacción61. De confirmarse esta

proposición, podría considerarse la aplicación de conversión hidrotérmica a biomasa con contenido

de lípidos, en mezcla con sales de potasio para desfavorecer la carbonización62 y un medio de reacción

acidulado63 para producir biocrudos con alto rendimiento y poca gasificación.

Heterociclos y policiclos

Pirólisis Aldehídos, Aromáticos,Alcanos, Alquenos

Gases

+ H3O+

+ OH -

Productos de Hidrólisis

+ H2O

COMPUESTO (Biomasa)

+H2O

Pirólisis

Pirólisis

- H2O

nM (M) n

nM (M) n

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Estudio de la naturaleza química de biocrudos obtenidos mediante licuefacción hidrotérmica de biomasa lignocelulósica 7

1.2. CONVERSIÓN HIDROTÉRMICA DE POLISACÁRIDOS

Los polisacáridos son los principales componentes de la biomasa64, 65. Su conversión hidrotérmica se

asemeja a una disolución por hidrólisis que es evidente a partir de 463 K66, 67. La velocidad de

descomposición incrementa conjuntamente con la temperatura. Los productos de hidrólisis son

oligosacáridos, monómeros e isómeros68, 69. Los productos de degradación se componen

principalmente de furfurales, aldehídos de cadena corta, ácidos y fenoles polihidroxilados, cetonas,

otros aldehídos, fenoles y ácidos carboxílicos70, 71. Estos últimos predominan cuando la reacción se

desarrolla en condición subcrítica (condensación retro-aldol, tautomerismo ceto-enol,

deshidratación)72, y descarboxilación73. Es posible que ocurra deshidrogenación por desprendimiento

de moléculas de agua durante reacciones de deshidroxilación74.

Polisacáridos con funcionalidades como las pectinas, los queratanos, glicolípidos y la quitina pueden

presentarse en la biomasa75, 76; siendo éstas moléculas las que le siguen en importancia a la celulosa77.

Las pectinas y quitinas se hidrolizan hacia poli-(ácido galacturónico) y quitosano, respectivamente y

oligómeros de grado de polimerización entre 2 y 10, los cuales también producen monómeros78, 79.

Que degradan por procesos simultáneos de descarboxilación, desaminación, y desacetilación;

originando oligómeros y monómeros de tipo celulósico80 cuya estructura degrada bajo los mecanismos

para polisacáridos.

Para el caso de la conversión hidrotérmica de polisacáridos, la reducción de la relación atómica O:C

es más pronunciada que la de la relación H:C; situación favorable para el propósito de crear un

conjunto de moléculas similares a los hidrocarburos, pero el descenso en la relación atómica H:C

hace que parte de los productos de licuefacción tengan también afinidad elemental con los

alquitranes, pizarras bituminosas y carbones. En el evento que una fuente de biomasa posea

macromoléculas con una relación atómica O:C inferior a 0,2, las reacciones que ocasionan

gasificación hidrotérmica tienen el potencial de generar biocrudos con relaciones atómicas H:C entre

1 y 2. En esta área se encuentran los lípidos, pero su costo de adquisición es elevado.

Si los polisacáridos fueran las únicas moléculas en la biomasa, su ruta de conversión hidrotérmica

general puede esquematizarse en la figura 5. El principal producto de licuefacción lo constituyen

furfurales, siendo predominante el hidroximetil-furfural (HMF)81. El único producto de gasificación

es dióxido de carbono. Tal gas no procede de un proceso de combustión sino de una transformación

similar a la respiración o el metabolismo; por lo tanto, las emisiones de dióxido de carbono generadas

durante la conversión hidrotérmica de polisacáridos no puede considerarse como contribuyente al

efecto invernadero y adicionalmente la cantidad emitida siempre será menor que la que debió fijarse

en la biomasa cuando se formó.

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8

Figura 5. Esquema global de reacciones de la celulosa al ser sometida a conversión (licuefacción-

gasificación) hidrotérmica.

El estadio inicial de reacción es la pérdida de los grupos funcionales por hidrólisis y pirólisis cuando

las sustancias o tejidos involucrados en conversión hidrotérmica son polisacáridos con

Hidrólisis

Glico-Aldehido

HOO

+O

HO

OH

OH

HOOH

CondensaciónRetro-Aldol

+HOO OHO

OOH

OH

HOO

Eritrosa

Hidrólisis

+O

HO

OH

HOOHO

OH

OH

HOOH

HOO

+

Condensación Retro-Aldol

OHO

OH

OHO

HO

OHO

OH

Despolimerización

Despolimerización

Glucosa

Hidrólisis del enlaceglucosídico

Celobiosa

OHO

OH

OHO

OH

OH

HOO

OHHO

Celulosa

n

OHO

OH

OH

OO

OH

OH

HOO

O

Pectinas y quitinas

OHO

OH

R1

OO

n

R1= -COOH (pectina), -NH2 (quitosano), -NH-COCH3 (quitina)

Desacetilación/desaminación

n

OHO

OH

OH

OO

OHO

OH

OH

HOOH

Fructosa ManosaGalactosa

O

OOH

Hidroximetilfurfural

Deshidratación

Deshidratación

+ CO2

+2H2O

OO

OHOH

O

+

Ácido LevulínicoÁcido Fórmico

O

-CO2

2-Butanona

Deshidratación

1,2,4-Bencenotriol

HOO

ReacciónRetro-Aldol

Polimerización(Condensación)

Cadenas polihidroxiladas

Fragmentación, descarbonilación, descarboxilación, y deshidratación

Hidrólisis, rearreglo en hexatrieno y deshidratación

O

O

O

HO OH OH

O

OH

HOO

O

O

OH

OH

O

OH

2-furaldehído

Dihidroxiacetona

Ácido láctico

OH

OH

HO

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Estudio de la naturaleza química de biocrudos obtenidos mediante licuefacción hidrotérmica de biomasa lignocelulósica 9

funcionalidades. De acuerdo con la literatura82, los principales productos serán moléculas pequeñas, y

en la mayoría de los casos el resultado es gasificación de los grupos removidos con producción de

metano, dióxido de carbono y amoníaco. El desarrollo de las reacciones de conversión hidrotérmica

posteriores sucede tal como ocurre con los polisacáridos sin funcionalidades83.

1.3. CONVERSIÓN HIDROTÉRMICA DE LIGNANOS

La estructura mesomérica básica de los lignanos es el fenilpropano84, pero son el guayacol, catecol,

fenol y ácido vanílico las moléculas que se toman como compuestos modelo de lignina debido a que

son éstas las que se producen en experiencias de conversión hidrotérmica. El mecanismo de

descomposición hidrotérmica de la lignina se comparte entre hidrólisis y pirólisis85 del enlace β-O-4.

Derivados del metoxifenol, fenoles, catecoles y trazas de benceno se producen bajo una cinética de

primer orden86. Las reacciones de pirólisis ocasionan desmetilación, deshidroxilación y

deshidratación87. El ácido vanílico empleado como compuesto modelo evidencia conversiones hacia

guayacol (2-metoxifenol) y degradación hacia catecol88 y generación de dióxido de carbono89. Los

enlaces éter existentes en la lignina también presentan hidrólisis y pirólisis90; extendiéndose dicho

comportamiento a ácidos y a aldehídos fenólicos91 que constituyan algún polímero.

La lignina y los lignanos presentan todos los tipos de reacción pertinentes a especies con grupos éter

oxigenado. Debido a su naturaleza, los principales productos a esperar son lignanos y derivados

fenólicos. El esquema generalizado de reacción hidrotérmica de sustancias con estructura de tipo

lignina se muestra en la figura 6. Las rutas de reacción planteadas exigen un ambiente carente de

oxígeno, ya que en el caso contrario, la conversión hidrotérmica de lignina producirá fenoles, ácidos

carboxílicos y productos carbonizados92 y la conversión pude desviarse a gasificación exclusivamente,

con generación de dióxido y monóxido de carbono.

1.1. CONVERSIÓN HIDROTÉRMICA DE POLIPÉPTIDOS

En las proteínas, los aminoácidos pueden aislarse al causar hidrólisis de enlaces peptídicos93. Un

ambiente hidrotérmico es, por supuesto apto para ocasionar esta despolimerización que en la práctica

corresponde a un punto óptimo de presión y temperatura de 543 K y 5,58 kPa94, 95. Los polipéptidos y

proteínas resultan licuados y gasificados como aminas, ácidos orgánicos, amoníaco y dióxido de

carbono96, 97.

La glicina se propone como compuesto modelo de las proteínas98, ya que posee la estructura básica de

partida para otros aminoácidos. Para tales sustancias, la primera reacción es la hidrólisis99.

Posteriormente, cada aminoácido u oligopéptido puede descarboxilarse para producir dióxido de

carbono y aminas; o presentar desaminación para generar amoníaco y ácidos orgánicos100. El

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10

amoníaco formado durante la hidrólisis y desaminación cataliza la reacciones de descarboxilación101.

Los aminoácidos con estructuras piridínicas pueden degradarse si contienen sustituyentes aldehído,

hidroxilo y carboxilo102, 103.

Figura 6. Esquema de reacción generalizado para monómeros de lignina y derivados fenólicos

sometidos a conversión hidrotérmica subcrítica.

En la figura 7 se propone un esquema generalizado para las reacciones de conversión hidrotérmica de

un polipéptido. El sustituyente -R puede ser un grupo fenilo, piridina, isopropilo, hidroxilo,

carboxilo, etc. Únicamente se consideraron las rutas de desaminación y descarboxilación. Algunas

proteínas con enlaces sulfuro y sulfhidrilo presentarán desprendimiento de ácido sulfhídrico al

instante de ocurrir la hidrólisis. La gasificación hacia amoníaco puede ser mitigada por adición de

agentes acomplejantes/mineralizantes, de forma que éste se puede recuperar como sales de amonio104,

105. Debido a la gran cantidad de grupos carboxilo contenidos en una proteína (al menos uno por

n

OHO

O

O

O

O

O

O

OO

O

O

O

Lignina

O

OO

OH

O

O

O

HO

O

O

O

O

O

O

O

O

Hidrólisisy pirólisis

Lignanos

R R

OAlquil

R

OAlquil

R

R

R

-CO2

-CO2

-Alquil+H2O

-H2O

R = -H, -OH, -CO, CO

OH

A lquil = -CH3, -CH2-CH3, -CH2-CH2-CH3

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Estudio de la naturaleza química de biocrudos obtenidos mediante licuefacción hidrotérmica de biomasa lignocelulósica 11

péptido) la gasificación hidrotérmica se manifiesta con desprendimiento de dióxido y monóxido de

carbono. Nuevamente, las consideraciones hechas respecto de la naturaleza de su emisión para los

polisacáridos son aplicables a los polipéptidos. Estos gases no deben considerarse como emisiones

que contribuyan al aumento del efecto invernadero

Figura 7. Esquema generalizado de rutas de conversión hidrotérmica de un polipéptido.

1.2. CONVERSIÓN HIDROTÉRMICA DE LÍPIDOS

La bibliografía disponible sugiere la aplicación de la conversión hidrotérmica grasas vegetales desde la

década de 1930106; detectándose en reacciones a bajas temperaturas (393-533 K) la existencia de una

sola fase de reacción y la posibilidad de obtenerse un elevado grado de hidrólisis en tiempos

prolongados (24 horas)107. Los estudios posteriores en conversión hidrotérmica buscan hidrolizar las

grasas vegetales para recuperar ácidos grasos sin empleo de catalizadores, obteniéndose una

conversión cercana a 95 %, determinada por medio del valor ácido de los productos (valores entre

190 y 200), usualmente en gran exceso de humedad (1250 %)108. Un ejemplo de resultados para este

tipo de experimentos se muestra en la figura 9.

NH2

OH

O

H

O H

Condensación Retro-Aldol

NH2

OH

O

R

-NH3

Metano

-NH3

+H2O OH

O

OH

R

RNH3

-CO2

-CO2

-CO

RO

+H2O-NH3

OH

O

R

O

OH

O

R

OH-H

+H

Formaldehido

Ácido Acético

Pirólisis

Metil Amina

N

O

NH2

R

O

OH

R

H

n

+H2On

R

RHO+

OH

O

R

-CO2

CH3R

R +CH3

-NH3

OHO-NH3

R

+

-CO2

NH2

-NH3CH3

MetanoMetano

CH3-CO2

+ R

Polipéptido

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12

Figura 8. Avance de hidrólisis[] y valor ácido de los productos [] en función del contenido de

agua en el medio de reacción, para experimentos realizados a 533 K con aceite de soya.

Cuando las reacciones de hidrólisis se efectúan en condiciones cercanas al punto crítico del agua, los

ácidos grasos libres presentan reacciones de descomposición, entre las cuales se han observado

descarboxilación, pirólisis y polimerización al sobrepasar el punto crítico del agua109, 110. Para una

condición ideal, el desempeño del sistema de reacción se describe por las ecuaciones (1) a (6).

triglicérido + agua ↔ di glicérido + ácido graso (1)

di glicérido + agua ↔ monoglicerido + ácido graso (2)

monoglicerido + agua ↔ glicerol + ácido graso (3)

glicerol + triglicérido ↔ monoglicerido + di glicérido+ agua (4)

glicerol + di glicérido ↔ 2 monoglicéridos + agua (5)

ácidos grasos → CO2 + productos de pirolisis (6)

En la mezcla final se encuentran alquil gliceroles, ácidos grasos libres y glicerol111, 112, 113; sustancias

volátiles y otras moléculas (carotenos, por ejemplo) degradados por efectos de las condiciones de

reacción114, 115. Sin embargo, se ha mostrado que la reacción 5 y los inversos de las reacciones 1 a 3

tienen constantes de reacción iguales o cercanas a cero, siendo más marcada esta condición de no

equilibrio, cuando la cantidad de agua en el medio de reacción es superior a 8% con relación al aceite 116 y se emplean catalizadores alcalinos y óxidos metálicos117. El incremento de la presión no muestra

efectos sobre el avance las reacciones, sin embargo, la descarboxilación de ácidos grasos proporciona

CO y CO2 al medio de reacción118 que contribuyen a incrementar la presión del sistema y mantener

la condición hidrotérmica. También se ha observado que, a medida que las cadenas del ácido graso

aumentan en número de carbonos, la descarboxilación ocurre con más facilidad119, por lo tanto,

tomando como ejemplo el aceite de palma, en cuya composición de ácidos grasos están el mirístico

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 200 400 600 800 1000 1200 1400% Agua respecto al aceite o grasa

V. A productos% Hidrólisis

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Estudio de la naturaleza química de biocrudos obtenidos mediante licuefacción hidrotérmica de biomasa lignocelulósica 13

(C12), láurico (C14), palmítico (C16), esteárico (C18), oleico (C18:1) y linoléico (C18:2)120, es de esperar que

se descarboxilen con mayor rapidez los tres últimos.

Sin no se emplean catalizadores y en condición subcrítica libre de oxidantes, el glicerol no degrada

fácilmente a otros productos121, sin embargo, dado el carácter hidrofílico de este producto de

conversión, el efluente acuoso del proceso tiene el potencial de ser reutilizado en la síntesis de

acroleína, por ejemplo, mediante un tratamiento hidrotérmico adicional en presencia de ácido

sulfúrico122.

El ácido palmítico, el ácido oléico123, el ácido esteárico124 y el aceite de coco (C45H86O6)125, 126 se toman

como compuestos modelo para la conversión hidrotérmica de los lípidos presentes en la biomasa. En

una propuesta de modelo de reacción para grasas, aceites, y residuos grasos127, primero toma lugar una

reacción de hidrólisis hacia glicerina y ácidos carboxílicos, los cuales presentan reacciones de

degradación, pirólisis y polimerización en medio no oxidante o se producen reacciones de

descomposición oxidativa y combustión si el medio es oxidante128. Según los resultados mostrados por

Sturzenneger y Sturm129 y King y colaboradores130, la conversión hidrotérmica de aceites y grasas es

eficiente en humedad relativa de 250 a 500 %. Este intervalo es semejante al empleado en otros

procesos de conversión hidrotérmica131, 132 para biomasa celulósica y sustancias modelo, en los que se

pretende la despolimerización, producción de insumos químicos renovables o valoración energética

de los productos133.

1.3. CONCLUSIONES.

Los componentes de la biomasa vegetal: polisacáridos, lignina, proteínas y lípidos pueden

transformarse en nuevos productos por medio de CHT. La conversión hidrotérmica de los

polisacáridos produce furfurales, aldehídos, ácidos carboxílicos y polihidroxifenoles en menor

cuantía. Compuestos como el hidroximetilfurfural (HMF) y sus productos derivados tienen el

potencial de ser insumos industriales, ya sea como precursores químicos o como aditivos para nuevos

combustibles. A partir de la lignina es factible obtener compuestos de estructura semejante al

fenilpropano, de interés en el campo de los combustibles. Las proteínas no contribuyen ni enriquecen

un biocrudo, pero su presencia en los sistemas de reacción de conversión hidrotérmica de biomasa

lignocelulósica puede aportar amoniaco o sus sales y dióxido o monóxido de carbono. Los lípidos

pueden llegar a descarboxilarse y aumentar la fracción alifática de los biocrudos.

En la búsqueda de biocrudos debe considerarse una biomasa con mayor presencia de lignina, pues a

partir de los lignanos se generan nuevas macromoléculas que harían parte del biocrudo, mientras la

celulosa y compuestos relacionados se hidrolizan y descomponen en furfurales y fenoles de un solo

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14

anillo aromático los cuales enriquecen la fase acuosa. Sin embargo, existe la posibilidad de que los

materiales acuosos repolimericen y formen macromoléculas que en condiciones normales de presión

y temperatura sean hidrofóbicas y aporten al biocrudo. La posibilidad de que se formen nuevas

macromoléculas desde cualquiera de los productos de conversión de biomasa incluye la aparición de

policiclos, alquitranes, asfaltenos y materiales sólidos o carbonizados.

Los compuestos obtenidos por conversión hidrotérmica de biomasa tienen un valor agregado que, en

un mercado de energéticos y químicos, supera al valor de la materia prima. La idea de obtener nuevos

y más valiosos productos a partir de biomasa y sus residuos es sin duda la fuerza que impulsa la

investigación en este campo, dada su ubicuidad y bajo o prácticamente nulo costo de adquisición en

el caso de los residuos y el carácter renovable para los cultivos energéticos. Adicionalmente, la CHT

de cualquiera de las familias de macromoléculas abordadas en este documento no solo contribuye a la

reducción de emisión de CO2 sino que son un verdadero mecanismo de destrucción y valorización de

sustancias con elevado potencial nocivo o contaminante.

Biomasas como los serrines, bagazos, pastos gigantes, o desechos agrícolas y domésticos orgánicos son

susceptibles de transformarse por medio de CHT para la obtención de biocrudos u otros compuestos,

proporcionando una forma de energía alternativa e insumos químicos renovables con un progresivo

beneficio de la destoxificación del hábitat humano.

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Estudio de la naturaleza química de biocrudos obtenidos mediante licuefacción hidrotérmica de biomasa lignocelulósica 15

2. VARIABLES DE PROCESO RELEVANTES EN LA

CONVERSIÓN HIDROTÉRMICA.

2.1. INTRODUCCIÓN

Debido a la complejidad de la estructura de la biomasa, de las reacciones de conversión y de los

productos mismos, las variables de proceso que deben considerarse en CHT involucran el origen

mismo de la biomasa, los catalizadores o promotores de licuefacción, el tiempo espacial de reacción

(), y la presión/temperatura que inciden directamente en las propiedades que el agua exhibe durante

la reacción (constante dieléctrica, capacidad calorífica, pK, etc.). Al respecto del medio de reacción, el

agua, la humedad o proporción de agua es también una variable de importancia pues el grado de

dilución de las moléculas y sus productos de conversión determinarán el avance de las reacciones por

efecto de la saturación del medio con los diversos productos de degradación de la biomasa. La

atmósfera de reacción es un factor decisorio en la CHT, pues si se suministra oxígeno, el proceso se

torna en un mecanismo de combustión y destrucción de los materiales de partida. Las anteriores

variables se discuten brevemente en este capítulo a partir de experiencias de CHT en sustancias

modelo de biomasa para llegar a una aproximación de las condiciones más favorables que deben

explorarse con el propósito de generar un biocrudo sobre un tipo selecto de biomasa lignocelulósica.

2.2. TIPO DE BIOMASA

Las biomasas de origen vegetal difieren por si mismas en el contenido de lignina, celulosa,

hemicelulosas, grasa, proteínas y cenizas, principalmente. Esta diferencia en composiciones, varía de

planta en planta, por época de cosecha o por parte de la planta seleccionada134, 135, 136. El contenido de

cada uno de estos componentes de la biomasa influye en la concentración de biocrudo, pues se

conoce que los derivados de lignina y la celulosa, dan origen al biocrudo137, 138. Entre los tipos de

biomasa con potencial para un proceso de licuefacción hidrotérmica, dado su contenido de celulosa y

lignina y que a la vez no compiten con la seguridad alimentaria, se tienen, por ejemplo, los residuos

del beneficio de caña de azúcar (bagazo) y cosechas de maíz, arroz o frijol139; el racimo de palma de

aceite140y los pastos gigantes o gramas de alto rendimiento siendo los géneros Miscanthus y Pennisetum

fuertes candidatos a convertirse en biomasas cultivadas con fines energéticos141. Del género Pennisetum

existen híbridos como el Glaucum x Purpureum142 del cual puede obtenerse una producción de

biomasa en base seca superior a los rendimientos que podrían recuperarse de las primeras fuentes

mencionadas (caña, maíz, palma).

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El bagazo de caña de azúcar es el mayor residuo agroindustrial en el mundo y el que ofrece más

perspectivas de generación energética143. La licuefacción hidrotérmica de este material para fines

energéticos produce biocrudos y gas de síntesis144,145. El tallo del maíz es un residuo agrícola rico en

hemicelulosas y su uso como fuente de fibras es un campo en exploración. Durante la producción de

papel a partir del tallo de maíz, las hemicelulosas se pierden y no es factible recuperar esta fracción, lo

cual es desventajoso ya que son necesarias para cohesionar las fibras146. Por medio de conversión

termoquímica es posible recuperar esta fracción de hemicelulosas y también los derivados de

lignina147pero nunca se ha experimentado con este material en conversión hidrotérmica. En los

procesos convencionales de beneficio de la palma africana, la disposición de los racimos (raquis)

exprimidos y desgranados funcionan bien como abono orgánico, generando beneficios ecológicos al

agroecosistema palmero, pero al mismo tiempo causan perjuicios ambientales, pecuarios y humanos

por el contenido residual de aceite y la posibilidad de incubar la mosca hematófaga (Stomoxys

calcitrans)148. Se acostumbra su uso como combustible para caldera149 y puede obtenerse una pulpa

celulósica para producción de papel150 y aglomerados151. La pirolisis de raquis permite obtener

alquitranes152.

Típicamente, los procesos de licuefacción de biomasa se sustentan en residuos de cultivo o

beneficio153, 154, 155, 156, 157. Sin embargo, existe la posibilidad de desarrollar un procedimiento para un

cultivo propiamente dicho, que no sea de uso directo en la alimentación humana y sea fácilmente

destinado a la producción de bio-combustibles. En este sentido, las gramas presentan un gran

potencial, dado que durante su crecimiento, recuperan más energía que otros cultivos y no compiten

con otras especies energéticas158, 159. El uso del pasto Pennisetum (Glaucum x Purpureum) como cultivo

energético libera a otros materiales lignocelulósicos como fuente de fibras de celulosa para la

fabricación de papel, por ejemplo, proceso en el cual ya existe una infraestructura madura para el

aprovechamiento de estos residuos. El crecimiento por hectárea (200 T/Ha. año, base seca) de este

tipo de biomasa lo hace de alto interés energético160 en un proceso de CHT161.

2.3. CATALIZADORES

En reacciones de conversión hidrotérmica cualquier sal puede promover la licuefacción porque

aumenta la velocidad de las reacciones de hidrólisis y favorece la generación de monómeros y

moléculas ligeras que pueden ser solubles en agua y degradarse con mayor facilidad y/o conformar

biocrudos162. La naturaleza de la sustancia que se emplea para promover la licuefacción puede

también afectar el valor pH del medio e introducir variaciones en los rendimientos de productos de

conversión163. Entre el conjunto de sustancias promotoras de licuefacción hidrotérmica que muestran

mejor desempeño (rendimiento de biocrudo), se encuentran las sales de potasio164, 165, 166, las cuales

favorecen la producción de biocrudos livianos por inhibición de las reacciones de carbonización167, 168,

169 y estimular la gasificación170. Los productos de CHT también promueven o catalizan las reacciones

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Estudio de la naturaleza química de biocrudos obtenidos mediante licuefacción hidrotérmica de biomasa lignocelulósica 17

de licuefacción hidrotérmica. Algunos productos de degradación hidrotérmica de biomasa como

ácidos (acético, fórmico, láctico, levulínico) favorecen la conversión171, estabilización e

hidrodesoxigenación anticipada del biocrudo172. El amoniaco, producto de desaminación de

proteínas, cataliza las reacciones de descarboxilación173. Se postula que las grasas pueden inhibir las

reacciones de gasificación sin afectar la conversión174.

Biomasa con potasio entre sus constituyentes produce un biocrudo más ‗liviano‘175 y el intercambio

iónico con calcio en los materiales de partida incrementa la fracción alifática de los alquitranes176. En

este sentido, el uso de bases y sales alcalinas no se relaciona únicamente con el avance de reacción y

calidad del bio-combustible sino que también está ligado a objetivos energéticos, pues la biomasa

puede ser convertida a biocrudo incluso en temperaturas subcríticas177 lo cual consume menos

energía, y es un procedimiento termoquímico menos exigente respecto al material y espesor de los

equipos de reacción. En la tabla 1 se presentan algunos ejemplos de catalizadores empleados en CHT

de biomasa.

Tabla 1. Catalizadores de licuefacción hidrotérmica de biomasa y sustancias modelo.

Catalizador Condiciones de reacción Año, referencia

H2/CO n.d. 1971, Appel et al178

Na2CO3/CO 30 min, 623 K 1988, Elliot et al179

Agua (K2O, CaO, MgO) 473-773 K 1992, Serikawa et al180

K2CO3 623-673 K 1993, Baskis181

Agua 873 K 1993, Yu182

NaOH 10 meq/l; 1 min 1994, Luijkx183

Na2CO3 0- 4 % B.S.; (613 K, 30 min) 1995, Minowa184

NaOH, Na2CO3, K2CO3 Pirólisis; licuefacción y ESC 1998, Demirbas,

KOH, K2CO3 1,3-3,6 meq/l; 673-823 K 2000, Schmieder et al.185

K2CO3 0, 5%, 773 K; 2,3 min 2003, Sinag et al186

K2CO3, Rb2CO3, Ca(OH)2 48,6 meq/l; 553 K; 15 min 2004, Karagöz et al.187

Sales de potasio 1241 ppm B.S., 603-643 K 2004, Kruse et al.188

Sales de Níquel 1 %; 60 min; 773 K 2004, Sinag et al.189

CO2 473 K; 15 min 2005, Miyazawa y Funazukuri190

K2CO3 2 eq/l; 673 K 2006, Anzola y Cagua191

K2CO3 Aserrín de sauce 2007, Hashaiek et al.192

K2CO3 2 eq/l; 633-653 K 2008, Castro et al.193

NaOH 0,6 eq/l; 60 min; 433 K, 2010, Yagihashi y Funazukuri194

KOH, NaOH 433–553 K; 10 MPa 2010, Aray et al195.

Ácido fórmico 523 K; 60 min; cat 0,1% (m/m) 2011, Azaoka y Funazukuri196

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Las sales alcalinas como el carbonato de sodio y el carbonato de potasio son catalizadores de la

licuefacción y promotores de la gasificación197. El único mecanismo de reacción para CHT de

biomasa con intervención de una sal alcalina fue propuesto por Appel y colaboradores198. Bajo este

esquema, se requiere la preexistencia de monóxido de carbono que al reaccionar con el carbonato de

sodio forma un ión formato y dióxido de carbono:

Na2CO3 + 2CO + H2O → 2HCOONa + CO2 (7)

Simultáneamente, los grupos oxhidrilo vecinales de los carbohidratos en el medio de reacción se

deshidratan hacia enoles, seguido de una isomerización a cetona:

–CH(OH) –CH(OH)– → –CH=C(OH)– + H2O (8) –CH=C(OH)– → –CH2–CO– (9)

Los grupos carbonilos formados por la degradación de los carbohidratos se reducen mediante

reacción con iones formato y agua, desprendiendo un ion oxhidrilo:

HCOO- + –CH2–CO– → –CH2–CH(O-)– + CO2 (10) –CH2–CH(O-)– + H2O → CH2–CH(OH)– + OH- (11)

Finalmente, el oxhidrilo formado reacciona con otra molécula de monóxido de carbono para

regenerar el ion formato;

OH- + CO → HCOO- (12)

En este mecanismo se sugiere que la desoxigenación necesaria para producir biocrudos con mayor

densidad energética que la biomasa de origen ocurre por descarboxilación ocasionada por

intervención del ión formato proveniente del carbonato. Este mecanismo propuesto no ha sido

validado. Investigaciones de Miyazawa y Funazúkuri199 muestran que la liberación de dióxido de

carbono durante la CHT de polisacáridos acelera las reacciones de hidrólisis al disminuir el valor de

pH del agua.

La posibilidad de que se formen macromoléculas con entrecruzamientos internos, alquitranes pesados

y carbonizados puede evitarse con el empleo de sales alcalinas como catalizadores de CHT, pero debe

identificarse la proporción adecuada de este tipo de catalizador dado que puede promoverse la

gasificación que actúa en detrimento del rendimiento de biocrudo. Aunque la biomasa misma

contiene materiales alcalinos con potencial catalítico, es necesario incluir en el proceso de CHT de

biomasa un catalizador para mejorar el rendimiento de biocrudo.

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Estudio de la naturaleza química de biocrudos obtenidos mediante licuefacción hidrotérmica de biomasa lignocelulósica 19

2.4. TEMPERATURA/PRESIÓN Y TIEMPO DE REACCIÓN.

De acuerdo con la temperatura del sistema de reacción, la CHT puede ser subcrítica o supercrítica,

ubicándose muchas de estas experiencias en el intervalo entre 523-723 K200. La principal diferencia

entre estos dos ambientes termodinámicos es la velocidad de reacción y la selectividad, dado que se

presentan las mismas rutas de reacción descritas en el capítulo 1 (hidrólisis y pirólisis). Para muy

pocos casos el mecanismo de pirolisis persiste, así la temperatura y tiempo de reacción

incrementen201.

Como se describió en la revisión del estado del arte de la CHT de los componentes de la biomasa, las

reacciones suceden en dos etapas: hidrólisis/pirólisis y degradación/repolimerización, y según la fase

en la que se lleve a cabo la reacción, puede predominar alguna de estas dos etapas. Sasaki y

colaboradores202 mostraron que al aproximarse a la condición supercrítica del agua, las constantes de

reacción para hidrólisis incrementan y las de degradación disminuyen (figura 9, adaptado de Sasaki,

2002). Sobre el punto crítico del agua las velocidades de reacción son fuertemente influidas por la

densidad del agua, la cual es función de la presión del sistema. En la región supercrítica las reacciones

de degradación poseen velocidades semejantes a las de hidrólisis lo que sugiere la posibilidad de una

transformación continua de la biomasa en sus unidades mesoméricas y la transformación de estas en

nuevas moléculas, tanto en la fase acuosa, como hacia biocrudos. Esto permite dirigir la atención

hacia la región subcrítica como región apta para realizar hidrólisis con poca degradación y la región

supercrítica para reacciones de ruptura y degradación simultánea. La elección de una región de

presión/temperatura se supedita a las propiedades termodinámicas y de transporte del agua que se

aporte al proceso de CHT.

Subcrítico, 350ºC

Supercrítico,

400ºC

0

1

2

3

4

0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7

Densidad del agua (g/ml)

k (1/s) - k Hidrólisis - k Condensación retro-aldol

Supercrítico, 673 K

Subcrítico, 623 K

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Figura 9. Comparación de la constante de reacción para la conversión hidrotérmica de celobiosa a

condiciones sub y supercríticas.

En las proximidades del punto crítico del agua, la permisividad y constante dieléctrica de este solvente

disminuyen a valores que permiten solubilizar sustancias orgánicas y simultáneamente disociar sales

inorgánicas203. Bajo esta misma circunstancia de presión/temperatura, la constante de ionización del

agua (pK) ocasiona un aumento de la concentración de iones derivados de ella los cuales se hallan

disponibles para catalizar las reacciones de CHT204.

Kabyemela y colaboradores205 mostraron que la constante cinética de una reacción de CHT en

biomasa aumenta con la presión, luego, es previsible considerar una mejora en la conversión a

medida que la biomasa y sus productos de ruptura se descarboxilan coadyuvados por un catalizador

alcalino, y además que en la condición supercrítica o a presiones superiores a la de saturación se

favorece el avance de reacción, la catálisis homogénea y en el caso de reacciones por lotes, la extensión

del tiempo de reacción permite que la presión endógena del sistema se incremente y se den las

condiciones para presentarse velocidades de reacción que beneficien la aparición de los biocrudos. La

condición hidrotérmica permite que temperatura y presión estén íntimamente ligadas y entonces la

presión puede considerarse un parámetro y el tiempo de reacción es quien definiría el avance de

reacción en una región de temperatura cerca al punto crítico del agua. Castro recopiló resultados de

CHT sobre compuestos modelo de biomasa y destaca un límite de tiempo de reacción que en casi

todos los casos no excede 100 minutos cuando la temperatura se encuentra cerca del punto crítico del

agua206. Las experiencias a bajas temperaturas requieren un tiempo de reacción realmente prolongado;

entonces, la selección de temperatura/presión requiere explorar el tiempo de reacción adecuado para

obtener un óptimo rendimiento de biocrudo para determinado tipo de biomasa.

2.5. HUMEDAD, CONCENTRACIÓN DE BIOMASA Y TAMAÑO DE PARTÍCULA.

Una variable de valor considerable en la CHT es la concentración de la biomasa que se despolimeriza

ya que se ha mostrado que si cada partícula de biomasa se encuentra progresivamente más diluida el

avance de la reacción aumenta (figura 10, adaptado de Yu y colaboradores207) y la conversión puede

llegar a ser total208. Yu y colaboradores encontraron que para lograr una conversión próxima a 1 en

un proceso de CHT sobre carbohidratos debería la biomasa tener una concentración inferior a 5 %

en el efluente de alimentación. Funazúkuri y colaboradores mostraron que se logra conversión

completa de biomasa cuando se adiciona hasta un 300 % de agua respecto del material de partida. De

lo anterior se desprende la necesidad de evaluar el efecto de la humedad de la biomasa en el sistema

de reacción, teniendo presente argumentos económicos, puesto que valores altos de humedad pueden

ocasionar altas conversiones, pero su impacto económico lesionaría la capacidad de recuperación

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Estudio de la naturaleza química de biocrudos obtenidos mediante licuefacción hidrotérmica de biomasa lignocelulósica 21

energética del biocrudo obtenido debido al costo de transferir calor al agua para lograr la condición

crítica o supercrítica.

Figura 10. Avance de CHT en función de la concentración de biomasa

Anne y Ruyter209 emplearon serrines de eucalipto con un tamaño de partícula inferior a 3 mm para

sus experiencias de CHT, encontrando que estas dimensiones otorgan maniobrabilidad a la

suspensión de biomasa que puede bombearse como un lodo a los sistemas de reacción y modelar los

procesos de transferencia de calor con una aproximación de partícula esférica. Posteriormente,

Cuevas y colaboradores210 mostraron que los fenómenos de transferencia de calor, los fenómenos

difusivos y de transporte de masa desde y hacia la superficie de una partícula de biomasa son

despreciables para CHT con partículas de tamaño entre 0,5 y 2,5 mm aunque en términos globales de

rendimiento de biocrudo, el tamaño de partícula no se torna en una variable crítica. Estas

consideraciones sobre el tamaño de la partícula cobran importancia sobre todo cuando se atiende al

costo de trituración y tamizado de un proceso de CHT a escala industrial.

2.6. ATMÓSFERA Y SISTEMA DE REACCIÓN

La atmósfera y configuración del sistema de reacción influyen sobre la CHT. En un medio oxidante o

reactivo se favorece la producción de dióxido de carbono que no es un mecanismo deseable ni

apropiado para generar bio-combustibles sino para la destrucción de biomasa y residuos nocivos211 , 212. Cabe destacar que la CHT oxidativa es muy veloz, siendo necesario pocos minutos para lograr la

conversión completa de la biomasa213, encontrándose que en las condiciones supercríticas del agua,

cualquier agente oxidante es completamente soluble214.

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

[ ] (%p/p)

Co

nve

rsió

n (

%)

740ºC, 1 min, 300 bar

600ºC, 1 min, 300 bar

Concentración (% m/m)

1010 K, 1 min 873 K, 1 min

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Una atmósfera enriquecida con hidrógeno puede valorizar los biocrudos, removiendo heteroátomos

(N, S, O) y metales, incrementando la relación atómica H:C con la disminución de la relación

atómica O:C del biocrudo en un proceso in situ de hidrotratamiento215. La eliminación de grupos

oxigenados se requiere para mejorar la estabilidad de los biocrudos ya que existen moléculas con

grupos funcionales que promueven la repolimerización216, 217, 218. Appel y colaboradores219 emplearon

gas de síntesis como atmósfera de reacción en CHT de biomasa con la intención de estabilizar

radicales y favorecer la licuefacción.

Los procesos de conversión hidrotérmica se desarrollan en reactores por lotes, usualmente en las

etapas de exploración, aunque es viable realizarlos en modelos semi-continuos220. La configuración del

reactor es una herramienta de economía energética221 o para orientar la selectividad del proceso

cuando se conoce la cinética y se desea escalar la magnitud del proceso. En los reactores continuos y

semicontinuos es factible realizar el proceso de calentamiento por medio de hornos eléctricos,

inmersión en sales fundidas222, e incluso uso de microondas223, 224. La facilidad para la consecución y

rapidez de muestreo puede determinar el tipo de reactor empleado en las etapas de exploración. En

esta tesis no se investigará el efecto de la configuración del reactor, pues se requiere un sistema de

fácil manipulación225, que pueda calentarse y enfriarse con rapidez por flujo de un refrigerante o

inmersión en agua al término del tiempo de reacción226, 227 para evitar la degradación de los biocrudos

y retener los gases producto de reacción, en caso de requerirse su análisis. El reactor por lotes abarca

estas facilidades y ventajas.

2.7. CONCLUSIONES

La biomasa derivada de los procesos agrícolas es un material de disponibilidad amplia y presenta la

opción de transformarla en biocrudos por medio de CHT, siendo más favorable al proceso aquella

con un contenido relevante de celulosa y lignina y que no sea insumo para las cadenas alimenticias.

Entre estas biomasas, el bagazo de caña, el raquis de palma de aceite, los residuos agrícolas con alto

contenido lignocelulósico y los pastos gigantes son materiales interesantes para experiencias de CHT,

observándose que los pastos gigantes no han sido explorados en el país en procesos termoquímicos y

especialmente conversión hidrotérmica.

En las reacciones de conversión hidrotérmica se necesita un catalizador que fomente las reacciones de

hidrólisis/pirolisis, pero que no sea un agente gasificante excesivo porque reduce los rendimientos de

biocrudo. Los catalizadores ácidos favorecen en gran medida la hidrólisis, mientras que los alcalinos la

pirolisis. Los catalizadores alcalinos, bajo la forma de carbonatos, pueden ejercer una acción

desoxigenante de los productos de CHT y mejorar las propiedades de los biocrudos tanto en poder

combustible como estabilidad física la cual está relacionada con la disminución de grupos oxigenados

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Estudio de la naturaleza química de biocrudos obtenidos mediante licuefacción hidrotérmica de biomasa lignocelulósica 23

y por tanto reactivos en las sustancias que conforman las diferentes fases de productos de CHT de

biomasa lignocelulósica.

Al aumentar la presión del sistema de reacción se presentan cambios en las propiedades del agua que

modifican la solubilidad de productos de CHT. Las condiciones subcríticas y supercríticas del agua

son propicias para lograr la CHT de biomasa lignocelulósica, dándose una región cercana al punto

crítico como la de mayor estudio y con propiedades termodinámicas de interés por las condiciones de

transporte y difusión de masa y calor. El tiempo de residencia en los sistemas de reacción debe

ajustarse como parámetro para lograr una selectividad hacia los productos deseados de

transformación termoquímica de la biomasa, de manera tal que tiempos cortos inciden en los

rendimientos hacia productos de hidrólisis y tiempos prolongados generan gasificación o

carbonización de sustancias derivadas de la CHT.

La humedad de la biomasa es relevante por cuanto la materia orgánica puede ser el medio per se de

transporte del agua necesaria para el proceso de CHT. La biomasa que contenga en su composición

una cantidad de agua capaz de transportar a los materiales sólidos en forma de suspensión evitaría la

adición de más líquido y beneficiaría a la economía del proceso. Una condición de CHT diluida

favorece el avance de reacción pero no necesariamente ofrece la condición óptima para recuperación

de biocrudo y por lo tanto debe estudiarse el efecto de la humedad en cada tipo de biomasa.

La atmósfera de reacción inerte o reactiva modifica sustancialmente los productos de CHT. La

atmosfera oxidante ofrece la posibilidad de gasificar la biomasa en óxidos de carbono. Para evitar las

reacciones de combustión se debe recurrir a la purga del medio de reacción y las corrientes de

materiales con un gas inerte como el nitrógeno; sin embargo, aunque se tengan estas consideraciones

previas, existe oxígeno disuelto en el agua que causa oxidaciones mínimas en la biomasa. Un medio

de reacción enriquecido en dióxido de carbono mejora las reacciones de hidrólisis y una atmósfera de

hidrógeno puede parcialmente hidrodesoxigenar in situ los productos de CHT. Es necesario un

proceso adecuado de molienda y tamizado para que las partículas se descompongan con mayor

facilidad y no carbonicen.

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3. LICUEFACCIÓN HIDROTÉRMICA DE BIOMASA

LIGNOCELULÓSICA.

3.1. INTRODUCCIÓN

El agua solvata el sustrato despolimerizado en la conversión hidrotérmica y además juega un papel

primordial en el avance de la reacción, ya que es el principal causante de la hidrólisis de materiales

con enlaces de tipo éter, abundantes en la biomasa228. En la proximidad del punto crítico (523-573 K)

el agua se torna en un catalizador autoneutralizable que libera iones hidronio e hidroxilo que pueden

iniciar y catalizar reacciones229, 230 y retorna a valores neutros al volver a temperatura ambiente231.

Estas condiciones logradas por el agua, hace de la CHT un proceso de transformación termoquímica

amigable con el medio ambiente y capaz de transformar biomasa en biocrudo, que se recupera debido

principalmente a su hidrofobicidad (algunas propiedades y parámetros del agua se listan en el Anexo

A.1.).

3.2. MATERIALES Y MÉTODOS.

3.2.1. Selección y caracterización de la biomasa

Se seleccionó el pasto Pennisetum (Glaucum x Purpureum) que es una biomasa de rápido crecimiento y

genera mayor contenido orgánico que los tallo de maíz, el bagazo de caña o los raquis de palma y no

compite ni interfiere con la seguridad alimentaria, recuperación de suelos en etapa poscosecha o están

sujetos a condiciones de cosecha y beneficio.

El forraje del género Pennisetum se secó en un horno convectivo a temperatura de 333 K durante 48

horas hasta alcanzar la textura denominada ‗crunch‘ (quebradiza al tacto) y se redujo de tamaño en un

molino de cuchillas (Laboratorio de Nutrición de la Facultad de Medicina Veterinaria y Zootecnia de

la Universidad Nacional de Colombia – Sede Bogotá). Se empleó un tamiz de 1 mm en el molino y

luego se pasó por la serie de tamices Tyler, empleándose para las pruebas de CHT las partículas de

tamaño inferior a 1 mm.

Para la caracterización de la biomasa se emplearon los análisis próximo, elemental y nutricional. El

análisis próximo comprende la determinación de humedad residual, materia volátil, cenizas y carbono

fijo por diferencia; se realizó en un equipo termogravimétrico Navas Instrument TGA-2000AD según

norma ASTM D-7582. El análisis elemental se realizó en un equipo LECO CHN 600 para carbono,

nitrógeno e hidrógeno, según normas ASTM D3176 y D5373 y en un equipo LECO SC 132 para

azufre, según norma ASTM D5016; el oxígeno de calculó por diferencia.

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Estudio de la naturaleza química de biocrudos obtenidos mediante licuefacción hidrotérmica de biomasa lignocelulósica 25

El análisis nutricional se realizó según normas AOAC 930.15 y AOAC 950.46 (humedad por

gravimetría), AOAC 991.36 (extracción de grasas), AOAC981.10 (proteínas mediante digestión),

949.04 (lignina), Reporte NREL 42618 (carbohidratos estructurales y lignina por digestión), Reporte

NREL 42619 (azúcares extraíbles por gravimetría) y Reporte NREL 42644 (cenizas por gravimetría).

Las cenizas se analizaron en su composición por medio de fluorescencia de rayos X en un equipo

Phillips MagiXPro

3.2.2. Sistema de reacción. Para desarrollar las reacciones de CHT de biomasa se utilizó un reactor Autoclave Engineers® de

280 mL con agitación magnética y sistema de calentamiento eléctrico controlado el cual fue adecuado

a las necesidades que requiere el proceso de CHT. En la figura 11 se muestra el diagrama del sistema

de reacción empleado durante la ejecución dela presente tesis.

Figura 11. Diagrama del sistema de reacción utilizado para CHT.

Antes y después de cada reacción (figura 11), el reactor E-1, su cubierta y el agitador se lavan con agua

destilada y 2-butanona (metil-etil-cetona o MEC, grado analítico) para retirar residuos.

Simultáneamente se precalientan, el horno hasta 773 K y el reactor hasta 343 K mediante inmersión

en agua. Los reactantes se cargan al reactor precalentado (E-1).El reactor se sella y se introduce en el

horno. Se abren las válvulas en el siguiente orden V-4, V-3, V-1 y V-2 para purgar el sistema con

nitrógeno UAP, durante 5 min, a un caudal de 10 ml/min y se cierra la válvula V-1 para presurizar el

sistema con nitrógeno UAP hasta 2,72 kPa. La temperatura y presión se monitorean mediante el

E-1T-N

V-4

MI-1

I-2

TI-3

I-4

V-9

V-10

E-2

V-1

V-2

V-13

V-3

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registro de lecturas hechas en el controlador I-3 y el manómetro I-1. Al llegar a la temperatura de

reacción, se contabiliza el tiempo y al terminar, se retira el horno E-1 y se enfría el reactor

permitiendo el paso de agua por E-2, accionando la válvula V-10. Cuando el sistema se encuentra a

temperatura ambiente se registra la presión del sistema y posteriormente se despresuriza abriendo V-

2. Cuando la presión disminuye hasta la atmosférica se retiran los sellos para recuperar los productos

de reacción.

El agitador original del equipo fue modificado a uno con aspas inclinadas para evitar la acumulación

de material debajo del agitador al momento de sellado, el cual comprime parte de la biomasa contra

el fondo del reactor y permanece allí carbonizándose sin recuperarse como material transformado en

biocrudo. El agitador que se muestra en la figura 12 se manufacturó en lámina calibre 20 de acero

SS316 siguiendo el esquema hidrodinámico de los agitadores Conn-blade® los cuales permiten

agitación eficiente en sistemas de alta viscosidad y consistencia y su diseño de aspas en imitación de

cuchillas ocasiona poca inclusión de gases en la mezcla, minimiza el espumado y rompe posibles

grumos de material particulado que pudiera aglomerar. Un esquema del reactor se muestra también

en la figura (no está incluido el agitador).

Figura 12. Esquema del interior y sellado del reactor (sin el agitador dibujado) y diseño del

agitador: A. vista superior y B. vista lateral; empleado en las reacciones de CHT.

3.2.3. Diseño experimental de las reacciones de CHT.

El diseño experimental busca maximizar el rendimiento de biocrudo para pasto Pennisetum (Glaucum

x Purpureum) en agua cerca del punto crítico, estudiando ‗un factor a la vez‘ en forma adaptativa232.

El criterio de optimización para ubicar el máximo rendimiento de biocrudo es el método de

gradiente233. Las variables de experimentación elegidas se clasifican en tres niveles (bajo, medio, alto)

A B

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Estudio de la naturaleza química de biocrudos obtenidos mediante licuefacción hidrotérmica de biomasa lignocelulósica 27

para el carbonato de potasio (catalizador), humedad o relación agua:biomasa (y) y tiempo de reacción

(τ). Se mantienen como parámetros el punto crítico del agua como temperatura de reacción (T) y la

presión inherente (p) debido a que en etapas exploratorias se encontró mayor rendimiento y

estabilidad física del biocrudo de grama Pennisetum (Glaucum x Purpureum) en esta región234, 235. El

diseño experimental se muestra a continuación.

ALGORITMO

I. Considerando al rendimiento de biocrudo como una función de las anteriores variables,

entonces %biocrudo= f (catalizador, Y, τ, T, p), siendo los parámetros iniciales una

temperatura de 374 ± 5 °C, relación agua:biomasa 4:1, atmósfera de nitrógeno y tiempo de

reacción 60 min. La concentración del carbonato de potasio se fijó en los niveles 0,2; 1,1 y

1,9 equivalentes/litro. Si existe incertidumbre acerca de máximo local se añaden 2 nuevas

experiencias correspondientes a valores medios en torno del máximo local y los puntos

experimentales más próximos (0,78 y 1,44 eq/l). Adicionalmente se realizó un blanco de

reacción con biomasa sin catalizador a las mismas condiciones.

II. Al identificar el rendimiento máximo en la función objetivo para el cambio en la

concentración del catalizador, se experimenta con la relación H2O:Biomasaañadiendo a la

relación 4:1 las experiencias 5,5:1 y 7:1, base seca, con lo cual se determina el efecto de licuar

la biomasa en su estado de humedad de cosecha (relación 4:1) y respecto de la adición de

agua (5,5:1 y 7:1).

III. Identificado un valor máximo para el rendimiento de biocrudo, se procede a modificar el

tiempo de reacción, y se experimentan los valores de 30, 90, 120 y 180 min.

Los líquidos de licuefacción se separan de la fracción acuosa mediante filtración, y los biocrudos y

residuo carbonizado se recuperan mediante lixiviación en frio lo cual simplifica el proceso y evita

recurrir a la extracción en tres etapas THF-hexano-acetona que se emplea habitualmente para

cuantificar fracciones dentro del protocolo para licuefacción de carbones (norma ASTM D3279–07),

en los que existe la posibilidad de deterioro del biocrudo al calentarse236.

3.2.4. Separación de los productos de licuefacción. El biocrudo y residuo sólido se separan de los productos acuosos en papel filtro (S&S, 7

micrómetros). Las paredes y el agitador del reactor se lavan con 2-butanona (MEC, JT Baker) y el

material recuperado se adiciona al papel filtro. La fracción acuosa y gases se calcularon por diferencia.

La torta de biocrudo/residuos sólidos se lixivia con desde el cartucho de papel filtro empleando

ultrasonido como medio coadyuvante para la separación. Este procedimiento, a diferencia de la

extracción soxhlet, no degrada el biocrudo237 y el solvente es apto para recuperar completamente la

fracción de biocrudos libres o absorbidos en la matriz carbonizada, alquitranes y

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oligómeros/policiclos solubles238,239,240. En cada lixiviación se emplea una relación solvente/torta 10:1

y se repite hasta no observar coloración en la solución lixiviada.El montaje utilizado para todas las

separaciones biocrudo/residuo sólido se muestra en la figura 13.

La 2-butanona se retira del biocrudo mediante evaporación por convección natural en un vidrio de

reloj calentado a 313 K durante 12 h y posteriormente se seca completamente por evaporación

forzada incrementando la temperatura de la base calefactora hasta 343 K y dirigiendo una corriente

de nitrógeno sobre el biocrudo. El proceso se realiza verificando el peso del sistema hasta peso

constante (sin variación en el peso del conjunto vidrio/biocrudo, superior al 5 %).

Figura 13. Esquemas de lixiviación del biocrudo y recuperación mediante evaporación del solvente.

La conversión del proceso se calcula considerando la carga de biomasa inicial y el residuo sólido

retenido en el papel filtro como:

(%) *100Masa biomasa inicial Masa residuo sólidoConversiónMasa biomasa inicial

(13)

El rendimiento de biocrudo se calcula en base seca libre de cenizas considerando la carga de biomasa

inicial y el biocrudo en el vidrio como:

% *100( )

Masa bio crudoBio crudoMasa biomasa inicial humedad cenizas

(14)

En este caso particular, el cálculo de las fracciones toma como base de cálculo para cualquier

estimación, los rendimientos libres de cenizas, tanto en la biomasa, como en el residuo sólido.

E-4(Nitrógeno)

T

H-1(Plancha)

F-1(7 micras)

U-1(Ultrasonido)

E-1 B-1(vacío)

E-2

E-3(Vidrio)

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Estudio de la naturaleza química de biocrudos obtenidos mediante licuefacción hidrotérmica de biomasa lignocelulósica 29

3.2.5. Fraccionamiento del biocrudo. El biocrudo recuperado se separa inicialmente siguiendo las metodologías sugeridas en las normas

ASTM D4124 y D6560 las cuales establecen los procedimientos para el fraccionamiento de crudos y

alquitranes en: aceites, asfaltenos y preasfaltenos y se adaptaron para la separación del biocrudo,

dando a cada fracción separada el nombre de aceites maltoides, asfaltoides y pre-asfaltoides, dado

que se recuperan como una familia-clase de solubilidad semejante a los crudos de petróleo y los

productos de licuefacción del carbón. El procedimiento de fraccionamiento que se desarrolló para

este trabajo es el siguiente: Se depositan 0,5 g de biocrudo en el fondo de un tubo de ensayo y se

adicionan 30 g n-heptano. El sistema se sella y se coloca en un agitador ultrasónico con calentamiento

controlado hasta la temperatura de saturación del n-heptano durante 90 min. El tubo se retira y se

centrifuga a 3200 rpm en un equipo Clay Adams Compact II. El sobrenadante separado contiene la

fracción de aceites. Los insolubles se lavan nuevamente con 1 g de n-heptano y agitación con

ultrasonido hasta observar falta de coloración en el líquido centrifugado. Este sobrenadante se

adiciona a la fracción de aceites maltoides. Posteriormente, a los insolubles se les adiciona n-pentano

que se evapora a 313 K cuantificándose los asfaltoides y pre-asfaltoides.

La fracción insoluble resultante se fracciona con 15 g de tolueno en un agitador ultrasónico con

calentamiento controlado hasta la temperatura de saturación del tolueno durante 90 min. El tubo se

retira y se centrifuga a 3200 rpm. El sobrenadante separado contiene la fracción de asfaltoides. Los

insolubles se lavan nuevamente con 1 g de tolueno y agitación con ultrasonido hasta observar falta de

coloración en el líquido centrifugado. Este sobrenadante se adiciona a la fracción de asfaltenos.

Posteriormente, a los insolubles se les adiciona n-pentano para lavar el tolueno embebido, se

centrifuga y lava nuevamente con n-pentano, se evapora a 313 K y se cuantifican pre-asfaltoides. Para

explorar la existencia de residuos diferentes a pre-asfaltoides, se realiza una extracción con 30 g de 2-

butanona241, se centrifuga y se verifica la presencia de sólidos.

Los aceites maltoides solubles en n-heptano, los asfaltoides solubles en tolueno y la fracción extraída

2-butanona se enfrían y secan mediante convección natural para su cuantificación. El procedimiento

de fraccionamiento se resume en la figura 14.

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Figura 14. Proceso de recuperación de biocrudo y separación de productos de CHT.

Bio-crudoi

(0.5g)

Ultrasonido, 90 minutos, ~Tsat del solvente

n-heptano(30g)

Centrifugar 15 minutos, 3200 rpm

Tubo de ensayo

Solvente es incoloro?

SI

NO

n-heptano(1g)

Adicionar 10 g de pentano, centrifugar,

decantar y secar a 40 °C

Solubles en n-heptano a Tsat

torta de insolubles en

n-heptano

Peso 1

Peso2

Ultrasonido, 90 minutos, ~Tsat del solvente

Centrifugar 15 minutos, 3200 rpm

Solvente es incoloro?

SI

NO

tolueno(1g)

Adicionar 10 g de pentano, centrifugar,

decantar y secar a 40 °C

Solubles en tolueno

Peso4

Tolueno(15g)

torta de insolubles en

tolueno

Lavado con ultrasonido, 90 minutos, ~Tsat del solvente

2-butanona(10g)

Enfriar y decantar

insolubles en n-heptano a Tamb

Solubles en n-heptano a Tamb

Peso3

solubles en 2-butanona

,

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Estudio de la naturaleza química de biocrudos obtenidos mediante licuefacción hidrotérmica de biomasa lignocelulósica 31

3.3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

3.3.1. Caracterización del pasto Pennisetum (Glaucum x Purpureum). La materia prima utilizada en el presente estudio se caracterizó por análisis granulométrico, próximo,

elemental, nutricional y poder calorífico. Como una extensión del análisis próximo, se analizó la

composición de las cenizas de la biomasa.

3.3.1.1. Análisis granulométrico.

En la figura 15 se presentan los resultados de la clasificación por tamaños del pasto Pennisetum

(Glaucum x Purpureum) después del proceso de molienda. Se observa que aproximadamente el 98 %

del pasto tiene un tamaño de partícula igual o inferior a 1 mm, apropiado para el proceso de CHT.

Dentro del conjunto de partículas, las que poseen un tamaño entre 250 y 800 micrómetros

conforman el 41 % de la biomasa. Se observó que las partículas mayores a 1 mm están constituidas

por fibras largas pertenecientes a los nódulos del pasto.

Figura 15. Diagrama de Pareto para la distribución de tamaños de partícula de pasto Pennisetum

(Glaucum x Purpureum).

El proceso de molienda implicó secar la biomasa hasta alcanzar una consistencia frágil y quebradiza,

lo cual no es recomendable en un proceso a mayor escala. Para esta situación es más favorable moler

el pasto en el sitio de cosecha y emplear la humedad nativa, para lo cual debe seleccionarse el tipo de

molino apropiado para esta operación.

2,879,98 11,41

6,7311,85 13,65

41,42

1,82 0,19 0,080

10

2030

40

50

60

70

80

90

100

< 45

45-7

5

75-1

25

125-

150

150-

180

180-

250

250-

800

800-

1000

1000

-236

0

> 23

60

Tamaño (micras)

Peso (%)

Peso (%)

Acumulado (%)

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3.3.1.2. Análisis próximo y poder calorífico.

En la tabla 2 se presenta el análisis próximo del pasto Pennisetum (Glaucum x Purpureum) y en la tabla 3

la composición de sus cenizas. El alto contenido de material volátil es un buen indicador de la

facilidad con que ésta se convertirá en productos de degradación, lo cual es deseable y ocasiona la

aparición de moléculas pequeñas que van a formar el biocrudo por repolimerización de acuerdo con

el esquema de la figura 4. Los contenidos de carbono fijo (15,83 %) y de cenizas de la biomasa (10,73

%) obtenidos bajo las condiciones en las cuales se realiza este análisis permiten inferir que entre los

productos de conversión haya un residuo sólido con porcentaje cercano o superior a 26%.

Tabla 2. Análisis próximo del pasto Pennisetum (glaucum x purpureum).

Humedad (%m/m)

Volátiles* (%m/m)

C. Fijo* (%m/m)

Cenizas* (%m/m)

8,17 73,44 15,83 10,73 * Calculados en base seca

El poder calorífico del pasto Pennisetum seco se realizó en un calorímetro Parr modelo 1261,

isoperibólico obteniéndose un resultado de 16,25 MJ/kg, que es importante y superior cuando se le

compara con otras biomasas242.

Tabla 3. Composición de cenizas del pasto Pennisetum (Glaucum x Purpureum).

Elemento K Si Ca P Cl Mg Otros Porcentaje 36 28 16 3 14 2 Diferencia

De la tabla 3 puede observarse que predominan en las cenizas del pasto los elementos potasio, calcio,

silicio y cloro. La alta presencia de elementos alcalinos es beneficiosa para el proceso de conversión

hidrotérmica dado que se ha demostrado243 que estos elementos catalizan la reacción.

3.3.1.3. Análisis elemental.

El análisis elemental mostrado en la tabla 4 da cuenta de un importante contenido de hidrógeno, el

cual es clave en el propósito de obtener biocrudos con una relación atómica H:C próxima a la de los

combustibles fósiles y los bajos porcentajes de nitrógeno y primordialmente azufre, garantizan que el

biocrudo obtenido sea catalogado como un combustible limpio, pues en su composición se

presentará un valor muy bajo o quizás nulo de estos contaminantes que generan óxidos de nitrógeno

y azufre, nocivos y contribuyentes al fenómeno de lluvia ácida y enfermedades respiratorias244,245.

Tabla 4. Composición elemental del pasto Pennisetum (Glaucum x Purpureum) en base seca.

% C % H % N % S % Cenizas % O§ 46,43 6,09 0,97 0,15 10,73 35,63

§ Calculado por diferencia

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Estudio de la naturaleza química de biocrudos obtenidos mediante licuefacción hidrotérmica de biomasa lignocelulósica 33

En la búsqueda de combustibles a partir de biomasa es importante considerar el contenido de

oxígeno que para la biomasa es alto246. Este heteroátomo ocasiona cambios macroscópicos en los

biocrudos como su capacidad para retener agua y favorecer reacciones degenerativas, por lo tanto, el

proceso de CHT debe disminuir el contenido de oxígeno en el biocrudo final, lo cual puede ser

efecto de las reacciones mismas o como resultado de un proceso posterior de hidrodesoxigenación.

3.3.1.4. Análisis nutricional.

En la tabla 5 se presenta el análisis nutricional del pasto Pennisetum (Glaucum x Purpureum). El

contenido de humedad reportado es más alto que el de la tabla 2 dado que para el análisis nutricional

se trabajó con el pasto recién cosechado. La diferencia en el contenido de cenizas se debe al uso de

hojas molidas en el análisis nutricional, mientras que en el análisis próximo se utilizaron tallos y hojas

secadas al aire, molidos y homogenizados a un tamaño de partícula inferior a 800 micrómetros.

Tabla 5. Composición nutricional aproximada del pasto Pennisetum (Glaucum x Purpureum).

Componente Porcentaje m/m Contenido de humedad Celulosa* Hemicelulosas* Lignina* Proteína cruda* Azúcares* Extracto etéreo* Cenizas y otros* §

79,33 31,80 15,90 7,20 16,25 12,20 4,98 11,67

§ Calculado por diferencia, * base seca

Los altos contenidos de celulosa, hemicelulosas y azúcares en base seca indican la viabilidad de esta

biomasa para utilizarse en el proceso de CHT. La proteína cruda puede recuperarse previo al proceso

de licuefacción para su uso en la fabricación de concentrados para animales dado que ésta no

contribuye sustancialmente a conformar biocrudo ya que se ha mostrado que sus productos de

degradación son principalmente aminoácidos y amoniaco (ver capítulo 1, numeral 1.1); sin embargo,

es previsible que parte de los grupos nitrogenados de las proteínas se adicionen al biocrudo durante

su formación, razón adicional para proponer la extracción de la proteína para minimizar el contenido

de nitrógeno en el biocrudo y favorecer su carácter de combustible limpio descrito con anterioridad.

3.3.2. Recuperación del biocrudo.

El procedimiento para recuperar el biocrudo producto de la CHT de pasto Pennisetum (Glaucum x

Purpureum) permitió observar la existencia de una fracción sobrenadando los productos acuosos y otra

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asociada a los residuos sólidos, aglomerándolos. Las dos fases se recuperaron y se lixiviaron con 2-

butanona, tras lo cual se observó la separación espontánea de los productos acuosos y el biocrudo

soluble en 2-butanona. Esta situación facilitó la recuperación de soluciones de biocrudo por medio de

decantación en embudos, realizando el procedimiento descrito y esquematizado en la Figura 13.

Para verificar la pérdida de componentes ligeros del biocrudo, o afines al solvente en equilibrio

líquido/vapor durante la etapa de evaporación de 2-butanona, se analizaron los vapores por medio de

espectrometría de masas (GSC 301-T, Omnistar Pfeiffer Vacuum, Temperatura de Capilar: 405 K).

Los espectrogramas se presentan en la figura 16 y estos resultados muestran que es factible calentar el

biocrudo hasta 363 K dado que las señales corresponden únicamente al espectro de masas de la 2-

butanona.

3.3.3. Licuefacción con variación en la concentración de catalizador. En estos ensayos se busca identificar el efecto de la concentración de las soluciones de carbonato de

potasio sobre la CHT del pasto Pennisetum para lo cual se mantuvieron fijos la temperatura de

reacción (647-651 K), relación agua:biomasa (4:1), la atmósfera de purga (nitrógeno) y el tiempo de

reacción (60 min) dado que el diseño experimental estudia un factor a la vez para determinar su

influencia en los rendimientos de biocrudo. La nomenclatura de las experiencias de licuefacción

emplea códigos ordinales donde la sigla CHT representa la expresión ―Conversión HidroTérmica‖y

los números corresponden al orden cronológico de la experiencia. Los resultados se presentan en la

tabla 6

Tabla 6. Efecto de la concentración del catalizador en la conversión hidrotérmica de pasto

Pennisetum (Glaucum x Purpureum).

Código [K2CO3],

eq/l Biocrudo,

%m/m, b.s. Residuos sólidos,

%m/m, b.s. Gases + Acuoso,

%§ Presión final,

kPa CHT-02 0 3,67 15,77 80,56 n.d.* CHT-15 0,22 4,43 17,21 78,36 7836 CHT-16 0,78 14,11 16,33 69,56 4826 CHT-13 1,10 17,78 16,11 66,11 5171 CHT-17 1,44 11,45 4,46 84,10 5516 CHT-14 1,78 8,42 3,71 87,87 6000

* n.d.: no registrado o determinado, § calculado por diferencia

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Estudio de la naturaleza química de biocrudos obtenidos mediante licuefacción hidrotérmica de biomasa lignocelulósica 35

Figura 16. Espectros de masas de los vapores del proceso de recuperación de biocrudo.

Espectro de referencia para 2-butanona

Desecado de biocrudo, 328 K

Desecado de biocrudo, 333 K

Desecado de biocrudo, 343 K

Desecado de biocrudo, 353 K

Desecado de biocrudo, 363 K

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De los resultados de la tabla 6 se observa que el rendimiento de biocrudo aumenta con la

concentración del catalizador hasta 1,10 eq/l y luego empieza a disminuir en tanto que la fracción

acuosa + gases aumenta, lo cual sugiere que el carbonato, es un efectivo promotor de licuefacción, así

como de la gasificación. El porcentaje de gases producidos no fue determinado, pero evidencia de su

formación, se encuentra en el aumento de la presión final del sistema de reacción. El máximo

rendimiento de biocrudo es de 17,78 % m/m, b.s. (o 22,5 % m/m, bslcz) cuando se utilizó una

solución 1,10 eq/l de carbonato de potasio. El incremento de la concentración del carbonato de

potasio en la solución empleada para la licuefacción hidrotérmica reduce progresivamente el residuo

sólido e incrementa la fracción de productos de conversión hidrosolubles y gases, resultados que

confirman que los compuestos alcalinos y alcalinotérreos son catalizadores típicos para gasificación247,

pero que su uso en conversión hidrotérmica de grama Pennisetum cerca del punto crítico del agua es

beneficioso hasta una concentración 1,10 eq/l por lo que se tomó este valor como parámetro para el

ciclo de experimentos en los que se cambia la relación agua:biomasa.

3.3.4. Licuefacción con variación de la relación agua:biomasa. Con estos ensayos se identifica el efecto de la relación agua:biomasa sobre la conversión hidrotérmica

del pasto Pennisetum para lo cual se mantuvieron fijos la temperatura de reacción (647-651K),

concentración de catalizador (1,10 eq/l), la atmósfera de purga (nitrógeno) y el tiempo de reacción

(60 min). Para obtener la relación agua:biomasa en todos los ensayos, la cantidad de agua se

determinó con base en el agua contenida en la biomasa más el agua adicionada. Los resultados de las

experiencias se muestran en la tabla 7.

Tabla 7. Efecto de la relación agua:biomasa en la conversión hidrotérmica de pasto Pennisetum

(Glaucum x Purpureum).

Código Relación

H2O:BM-200 Biocrudo,

% m/m, b.s. Residuos sólidos,

% Gases + Acuoso,

%§ Presión final,

kPa CHT-13 4:1 17,78 16,11 66,11 5171

CHT-18 5,5:1 15,23 10,21 74,56 4826 CHT-20 7:1 16,02 7,00 76,98 4423

§ calculado por diferencia

La relación agua:biomasa inicial de 4:1 simula las condiciones de humedad del forraje recién

cosechado, aumentándose a relaciones 5,5:1 y 7:1. Se encuentra que al aumentar la relación

agua:biomasa, la producción de biocrudo se mantiene relativamente estable. El mayor efecto de

aumentar la relación agua:biomasa se presenta en la disminución de los residuos sólidos y el

incremento de la fase acuosa + gases. El hecho de observar una reducción en la presión final del

sistema sugiere que existe tendencia a la formación de productos acuosos más que a gases.

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Estudio de la naturaleza química de biocrudos obtenidos mediante licuefacción hidrotérmica de biomasa lignocelulósica 37

El menor rendimiento de residuos sólidos y de biocrudo, pero próximo a la experiencia CHT-13

permite postular que al diluir progresivamente el sistema, hay mayor cantidad de materiales

hidrosolubles a temperatura crítica. Este incremento de la selectividad hacia productos acuosos fue

observado por Antal y colaboradores248 para conversión hidrotérmica con soluciones de fructosa y

glucosa. El límite para considerar adecuado una dilución de la suspensión de biomasa radica en la

desaparición de la factibilidad técnica del proceso al tener que involucrar en los costos de producción

de biocrudo el calentamiento de cantidades cada vez mayores de agua249. Por lo anterior, la relación

agua:biomasa que se considera para el siguiente ciclo de experimentación es 4:1.

3.3.5. Licuefacción con variación del tiempo de reacción. Con estos ensayos se identifica el efecto del tiempo de reacción sobre la conversión hidrotérmica del

pasto Pennisetum para lo cual se mantuvieron fijos la temperatura de reacción (647-651 K),

concentración de catalizador (1,10 eq/l), la atmósfera de purga (nitrógeno) y relación agua:biomasa

(4:1). Los resultados se muestran en la tabla 8. Se observa que con el incremento del tiempo de

reacción el rendimiento de biocrudo disminuye y los gases y productos hidrosolubles aumentan. La

presión final del sistema se reduce para las experiencias más prolongadas y, simultáneamente el

residuo sólido recuperado, que inicialmente decrece, a partir de 90 min de reacción se incrementa. El

rendimiento de productos hidrosolubles se estabiliza a mayores tiempos de reacción, por lo cual se

postula que el sistema genera productos de condensación que forman carbonizados. Este efecto del

tiempo de reacción también fue observado por Karagöz y colaboradores250, en el que emplean serrines

y cascarilla de arroz en las experiencias de conversión hidrotérmica. Al disminuir el tiempo de

reacción disminuyen simultáneamente los rendimientos de biocrudo y residuos sólidos y la fracción

de gases + productos acuosos se incrementa, la presión final del sistema es la menor e indicando poca

gasificación. De estas experiencias se concluye que con un tiempo de reacción de 60 min se obtiene

mayor rendimiento de biocrudo.

Tabla 8. Efecto del tiempo de reacción en la conversión hidrotérmica de pasto Pennisetum

(Glaucum x Purpureum).

Código Tiempo en Tcrit, min

Biocrudo, % m/m, b.s.

Residuos sólidos, % m/m, b.s.

Gases + Acuoso, %§

Presión final, kPa

CHT-44 30 15,66 14,62 69,72 1862 CHT-13 60 17,78 16,11 66,11 5171 CHT-19 90 16,05 8,43 75,53 5102 CHT-23 120 12,18 9,99 77,83 4482 CHT-24 180 9,51 13,68 76,8 4619

§ calculado por diferencia

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3.3.6. Superficie de curvas de nivel para CHT de pasto Pennisetum (Glaucum x

Purpureum). De acuerdo con los resultados obtenidos y discutidos en los numerales anteriores, puede deducirse

que el tiempo de reacción y la concentración de catalizador son las variables de mayor incidencia en

los rendimientos de biocrudo. A partir de estas experiencias y de recalcular los rendimientos sobre

una base seca libre de cenizas, se tiene la tabla 9 y se construye la figura 17 que es una superficie de

curvas de nivel de la cual es posible señalar las condiciones de reacción que producen el mayor

rendimiento de biocrudo a condiciones cercanas al punto crítico del agua.

Tabla 9. Rendimientos de biocrudo en base seca libre de cenizas.

Código [K2CO3], N Relación

agua:biomasa Tiempo de

reacción (min) Conversión

(%) Biocrudo

(% , bslcz251)

02 0 4:1 60 84,23 4,66 15 0,22 4:1 60 82,80 5,60 16 0,78 4:1 60 83,67 17,90 13 1,10 4:1 60 83,89 22,55 17 1,44 4:1 90 90,93 14,52 14 1,78 4:1 60 96,33 10,68 18 1,10 5,5:1 60 89,79 19,32 20 1,10 7:1 60 93,56 18,74 44 1,10 4:1 30 81,46 19,87 19 1,10 4:1 90 91,57 18,25 23 1,10 4:1 120 90,01 15,45 24 1,10 4:1 180 86,32 12,07

La figura 17 es una superficie de respuesta en curvas de nivel para la generación de biocrudo

considerando el cambio de concentración de catalizador y tiempo de reacción. La metodología de

superficies de respuesta se utiliza en el tratamiento de problemas en los que una respuesta de interés

está influida por varios factores de carácter cuantitativo y determina, en este caso particular, algunas

condiciones de operación en las reacciones de CHT que mejor se ajustan a los rendimientos óptimos;

es decir, establece los valores de las variables que optimizan el valor de la variable respuesta252.

Puede observarse que las variables concentración de catalizador/tiempo de reacción ocasionan aumentos

progresivos en el rendimiento de biocrudo a medida que se acercan hacia la región 1,10-1,20 eq/l y

50-70 min (región más oscura) y allí se ubica el punto óptimo para realizar licuefacciones sobre grama

Pennisetum (Glaucum x Purpureum). Estas condiciones pueden aplicarse sobre otros materiales

lignocelulósicos y residuos orgánicos para obtener de ellos el mejor rendimiento de biocrudo. Para el

presente estudio, estas condiciones concuerdan con las del ensayo CHT-13 y por tanto este biocrudo

se utilizará como sustancia de referencia los estudios posteriores.

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Estudio de la naturaleza química de biocrudos obtenidos mediante licuefacción hidrotérmica de biomasa lignocelulósica 39

Figura 17. Superficie de respuesta (curvas de nivel) a las condiciones de experimentación.

3.3.7. Valoración del biocrudo de mayor rendimiento como combustible.

El biocrudo de forraje Pennisetum para la experiencia CHT-13, ensayo de mayor rendimiento, mostró

un poder calorífico de 33,26 MJ/kg; este valor es superior al que posee la biomasa cruda (16,25

MJ/kg), lo que indica un incremento de la densidad energética del 100% y es equivalente al de un

carbón térmico253. Este poder calorífico es consecuencia de la disminución en el contenido de

oxígeno de la materia prima y al reordenamiento estructural de los componentes de la biomasa y sus

productos de transformación. El contenido de humedad se determinó por medio de titulación Karl-

Fischer, en un titulador potenciométrico Mettler Toledo, obteniéndose un valor promedio de2,96

%254 para el biocrudo CHT-13. Este valor de humedad en el biocrudo CHT-13 es bajo y ofrece la

ventaja de no requerir calentamientos posteriores para su deshidratación o empleo de sistemas de

centrifugación255 en caso de requerirse su transporte o combustión. El biocrudo CHT-13en estado

fresco (1 semana de obtención) presenta una viscosidad de 102cP, medida en un reómetro

Brookfield modelo DV-III con aguja 27 y su presión de vapor a 291 Kes5 kPa y aumenta hasta 60 kPa

a una temperatura de473 K. Su composición elemental se determinó en C=78,44 %, H=8,07 %,

N=2,46 %, S=0,01 % y O=11,02 % (calculado por diferencia). La gravedad específica del biocrudo

CHT-13 se determinó en 1,0652 por medio de un picnómetro Gay-Lussac bajo el procedimiento de la

norma ASTM-D70 y se calculó la gravedad API correspondiente (1,35) por medio de la siguiente

formula:

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

Tie

mpo

de

reac

ción

, min

Concentración de catalizador, eq/l

1,00

3,70

6,40

9,10

11,80

14,50

17,20

19,90

22,60

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141,5 131,5Gravedad API

gravedad específica (15)

La baja gravedad API ubica al biocrudo CHT-13 en la categoría de crudos extra pesados o bitúmenes.

Las fracciones de biocrudo obtenidas por exclusión con solventes selectivos se muestran en la tabla

10Se encontró que alrededor del 60 % del biocrudo CHT-13 está conformado por aceites maltoides

(compuestos solubles en n-heptano). Este resultado ubica al biocrudo en una posición de gran

importancia frente a otros bio-combustibles procedentes de licuefacción, debido al prominente

rendimiento de aceites256, 257, 258.

Tabla 10. Fracciones de biocrudo obtenidas de la primera etapa de separación con solventes

selectivos.

Fracción/Solvente Porcentaje en biocrudo

Nombre asignado

Solubles en n-heptano 59,71 Aceites maltoides (AM) Insolubles en n-heptano a 18 °C 6,58 Aceites pesados (AP) Solubles en tolueno 27,24 Asfaltoides (Asf) Solubles en 2-butanona 6,47 Pre-asfaltoides (P-Asf) Insolubles 0 Residuos sólidos (RS)

3.4. CONCLUSIONES

El pasto Pennisetum (Glaucum x Purpureum) es una biomasa con alto contenido de carbono e

hidrógeno y bajo contenido de nitrógeno y azufre que puede transformarse por medio de CHT en un

producto acuoso, uno hidrofóbico o biocrudo, gases y residuos sólidos y/o carbonizados. Los bajos

valores de nitrógeno y azufre de la biomasa benefician la formación de combustibles amigables con el

medio ambiente.

En la CHT de pasto Pennisetum (Glaucum x Purpureum) en agua a 647 K, sin uso de catalizador; la

producción de biocrudo es pobre (±4 %). El rendimiento del biocrudo aumenta con el uso de

carbonato de potasio hasta un valor de 22,55 % en base seca libre de cenizas, cuando se utiliza una

solución 1,10 eq/l de carbonato de potasio. A partir de esta concentración y hasta 1,78 eq/l, el

rendimiento de biocrudo disminuye junto con el residuo sólido y se favorece la generación de

moléculas de menor masa molecular que enriquecen a la fase acuosa y los gases. Durante este proceso

de separación del biocrudo se encontró que éste se ubica en los sobrenadantes y aglomerando los

residuos sólidos; siendo factible la separación física por medio de decantación y lixiviación

coadyuvada con ultrasonido, sin necesidad de calentamiento de las soluciones de biocrudo en 2-

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Estudio de la naturaleza química de biocrudos obtenidos mediante licuefacción hidrotérmica de biomasa lignocelulósica 41

butanona, excepto para evaporar el solvente. Durante la evaporación no se detectó la volatilización

de moléculas ligeras de biocrudo.

El aumento de la relación agua:biomasa desde el valor 4:1 mostró ser un factor que mejora la

conversión total pero reduce el rendimiento de los productos hidrofóbicos (biocrudo). El mismo

efecto se observó al aumentar el tiempo de residencia desde 60 hasta 120 minutos, observándose

aumento de residuos sólidos, lo cual indica repolimerización de los diferentes productos de CHT.

La superficie de respuesta para rendimiento de biocrudo a partir de CHT de grama Pennisetum

(Glaucum x Purpureum), en función del tiempo de residencia y la concentración del carbonato de

potasio sugiere una zona de rendimiento óptimo de biocrudo en la región crítica del agua y atmósfera

inerte cuando el tiempo de reacción esta alrededor de 60 min, la concentración del carbonato de

potasio es 1,1 eq/l y la relación agua:biomasa es 4:1, la cual se asemeja al contenido de humedad del

pasto en estado fresco (cosechada sin secar, ver tabla 5). El biocrudo obtenido en estas condiciones en

un reactor por lotes posee un poder calorífico de 33,26 MJ/kg y su contenido de humedad no excede

el 3,79 % para las condiciones de recuperación por lixiviado con 2-butanona/ultrasonido. Estas

características son altamente ventajosas para su almacenamiento y transporte como combustible o

insumo químico, ya que a mayor densidad energética es menor la masa de biocrudo transportado y el

bajo contenido de agua "libre" evita los daños a sistemas de distribución de combustibles y/o motores

causados por corrosión, formación de hielo o crecimiento microbiológico.

La baja presión de vapor señala la inconveniencia de destilar los biocrudos de CHT, pues se

favorecerían primordialmente las reacciones de degradación térmica en oposición a la recuperación

de fracciones. El fraccionamiento del biocrudo es preferible por métodos ―fríos‖ como la extrografía o

separación con solventes selectivos. Se mostró que el proceso de lixiviación con ultrasonido y filtrado

es adecuado, ágil y no permite la inclusión al biocrudo de material fino carbonizado.

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4. FAMILIAS QUÍMICAS PRESENTES EN EL BIOCRUDO

CHT-13.

4.1. INTRODUCCIÓN

En un proceso de CHT de biomasa se presentan multiplicidad de reacciones y posibilidades en

cuanto a variables de proceso259, 260 y esta circunstancia limita la disponibilidad de datos cinéticos y

termoquímicos suficientes para describir el comportamiento del sistema o etapas elementales de

reacción. Así mismo, la probabilidad de generar nuevas sustancias durante su almacenamiento es alta

dado que en el biocrudo pueden encontrarse mezcladas al menos de 200 a 400 sustancias261 de

acuerdo con las condiciones de acidez o basicidad, sustancias catalizadoras presentes, o

temperatura262.

En este capítulo se presenta una revisión de las técnicas útiles al estudio de la naturaleza química de

del biocrudo o sus fracciones y se caracteriza el biocrudo CHT-13 por separación extrográfica y/o

exclusión con solventes, análisis próximo, elemental, termogravimétrico, calorimétrico, infrarrojo y de

resonancia magnética nuclear, además de cromatografía de gases acoplada a espectrometría de masas.

Se presenta adicionalmente una discusión sobre la textura de las fracciones sólidas por microscopía

electrónica de barrido. Cabe resaltar que en esta tesis, el biocrudo comprende exclusivamente la

fracción hidrofóbica263, 264 obtenida de la CHT del pasto Pennisetum (Glaucum x Purpureum).

4.2. ESTADO DEL ARTE DEL ESTUDIO DE LA NATURALEZA QUÍMICA DE UN

BIOCRUDO

La naturaleza química de un biocrudo puede abordarse desde diferentes puntos de vista; y a su vez,

desde varios grados de profundidad partiendo de la medición de las concentraciones de fracciones

con características diferenciables265, 266.La solubilidad de cada fracción es parte del estudio de la

naturaleza química; pues la afinidad por cierto solvente da indicios sobre la estructura del material,

contenido de heteroátomos e incluso servir como criterio para inferir su peso molecular promedio267.

Lo anterior obliga a la adopción o diseño de un método de separación adecuado para el biocrudo.

Uno de los métodos más difundidos para diferenciar familias de compuestos por características es la

extrografía o exclusión con solventes selectivos en columna empacada.

En la tabla 11 se presenta el método extrográfico propuesto por Farcasiu y colaboradores268, conocido

como método SESC (por sus siglas en inglés) el cual es aplicable a productos de licuefacción del

carbón y derivados del petróleo 269, 270. El esquema de fraccionamiento se basa en la afinidad

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Estudio de la naturaleza química de biocrudos obtenidos mediante licuefacción hidrotérmica de biomasa lignocelulósica 43

estructural de los solventes por las familias químicas que componen un alquitrán o producto de

licuefacción. Sin embargo, actualmente no existen procedimientos definidos para la separación en

fracciones de los componentes de un biocrudo y es necesario adaptar los procedimientos existentes.

Tabla 11. Fraccionamiento químico de alquitranes por medio de exclusión con solventes

selectivos (método SESC) en columna de sílica activada.

Descripción clásica Fracción Solvente de elución Principales componentes eluidos Aceites (fracciones 1-3) 1 Hexanos Saturados.

2 Hexano/15%benceno Aromáticos. Asfaltenos (fracciones 4-5)

3 Cloroformo Aromáticos polares, heterociclos con N, O, S.

4 Cloroformo/10% acetato de etilo

Fenoles simples.

Compuestos multifuncionales (fracciones 6-9)

5 Acetato de etilo/3% etanol

Heterociclos nitrogenados básicos, di y trifenoles.

6 Metanol Moléculas altamente funcionales (>10% heteroátomos).

7 Tricolorometano/3% etanol

Polifenoles.

8 Tetrahidrofurano Polifenoles nitrogenados básicos y oxigenados.

9 Piridina Polifenoles nitrogenados con mayor basicidad y oxígeno.

Materiales no eluidos (fracción 10 retenida)

10 - Compuestos desconocidos.

Como complemento al estudio de la naturaleza química de un biocrudo o sus fracciones se tienen las

siguientes posibilidades:

1. Estudio del aumento o disminución de cada una de las fracciones en función del tiempo271

2. Análisis de la composición elemental de cada fracción diferenciada272.

3. Análisis cualitativo de las estructuras predominantes de cada fracción recuperada273.

4. Análisis de los grupos funcionales presentes en la fracciones274

5. Estudio del comportamiento sensorial o físico-químico de cada subproducto recuperado275

6. Estudio de la reactividad frente a algunas sustancias276.

Usualmente, para el estudio de la naturaleza química, son técnicas suficientes la obtención dela

composición elemental (C, H, N, O, S) combinada con espectroscopia infrarroja (IR), resonancia

magnética nuclear (RMN) o difracción de rayos X (DRX)277. La estabilidad o reactividad del

compuesto o mezcla de compuestos pueden evaluarse frente a diferentes condiciones de obtención278

y a partir del conjunto de resultados es factible proponer algunas características de las sustancias bajo

estudio. Sin embargo, dada la alta heterogeneidad de sustancias de un biocrudo y la variabilidad de

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aparición de especies, según el tipo de biomasa y condiciones de proceso, el estudio de la naturaleza

química no es aplicable a la aproximación de las propiedades279.

En los análisis de cromatografía es necesario liberar al biocrudo de componentes de la fracción acuosa

emulsificados y de macromoléculas (semejantes a asfaltos) para elucidar o conjeturar las estructuras

que componen el biocrudo y superar aproximaciones escuetas que lo han descrito como una mezcla

de 15 a 70 sustancias monoméricas280, 281, 282. Ningún trabajo ha publicado especies de elevado peso

molecular presentes en un biocrudo y cuya existencia es fácilmente mostrable mediante un proceso de

separación con solventes selectivos283 las cuales puede contribuir a obstrucciones en un equipo

cromatográfico.

Los trabajos de Karagöz y colaboradores284, 285, 286, 287 realizados sobre biocrudo a partir de CHT de

cascarilla de arroz y diferentes serrines incluyen dentro de la composición del biocrudo a extractos de

la fracción acuosa. La cromatografía de gases acoplada a espectrometría de masas presenta en la

composición de estos biocrudos fenoles sustituidos, policiclos, aldehídos aromáticos y variantes de

furanos. Muchos de estos compuestos descritos como constituyentes del biocrudo son extraídos de la

fracción acuosa con éter etílico, acetato de etilo y acetona, y son típicos de ésta fase, según lo

confirman los trabajos de Luijkx y Srokol288, 289 en los cuales se muestra adicionalmente que los

furfurales monoméricos e hidroxifenoles (p.e.: hidroquinona y resorcinol) son parte de la fracción

acuosa de conversión, al igual que el ácido acético, el cual muchas veces se cuantifica entre los

constituyentes del alquitrán o biocrudo sin profundizar en el hecho de que es soluble en agua y se

incorpora como micro-gotas emulsificadas290 o es un producto de pirolisis al interior de la columna

cromatográfica, dada la sensibilidad del biocrudo al calor. Incluso ciertos ácidos carboxílicos

aromáticos y policiclos con carbonilos solo se encuentran en los productos acuosos291. De hecho, si se

estudian aisladamente los productos acuosos de conversión hidrotérmica de biomasa lignocelulósica,

se encuentra que es en ésta fase donde se hallan los furfurales292. Los resultados anteriores indican

que la elucidación estructural de los compuestos de un biocrudo debe restringirse a la fase netamente

hidrofóbica libre de sustancias esencialmente acuosas y es necesario retirar los pre-asfaltoides y demás

sustancias de muy elevado peso molecular del biocrudo.

El seguimiento de la transformación o cambio en las proporciones de las fracciones del biocrudo es

útil para sugerir un esquema del proceso de interconversiones internas del material y su

comportamiento esperado bajo ciertas circunstancias de almacenamiento dadas intencionalmente293.

A la fecha, no hay trabajos de investigación reportados que describan completamente la composición

de un biocrudo, sin embargo, se tiene el precedente en las investigaciones de alquitranes de pirólisis,

que pueden presentarse al menos 2000 sustancias diferentes en los productos insolubles en agua294

(alquitranes o biocrudos), las cuales no logran individualmente ser al menos un 1% del biocrudo,

inclusive en los componentes mayoritarios295.

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Estudio de la naturaleza química de biocrudos obtenidos mediante licuefacción hidrotérmica de biomasa lignocelulósica 45

4.3. MATERIALES Y MÉTODOS

4.3.1. Separación del biocrudo y preparación de fracciones. Las fracciones de aceites maltoides, asfaltoides y pre-asfaltoides se separaron del biocrudo por el

método descrito en el capítulo 3 (extracción con n-heptano, tolueno y 2-butanona, con ultrasonido y

centrifugado). Las fracciones se obtienen a partir de 1 g de biocrudo CHT-13 y se preservan en

recipientes de vidrio sellados para su uso en pruebas analíticas.

4.3.2. Extrografía de aceites maltoides. La fracción de biocrudo soluble en n-heptano (aceites maltoides) a temperatura ambiente (291 K) se

separó mediante extrografía en columna de alúmina (Merck, Actividad tipo 2). La alúmina se activó

mediante secado en un horno a 393 K previo a su uso en la elaboración del lecho empacado. Con

base en la norma ASTM D4124 (análisis SARA), el método SESC y el tamaño de muestra disponible,

se escaló la columna a un volumen de5 ml de alúmina activada y 30 cm de altura con la cual se

adsorben eficientemente 0,5 g de aceites maltoides. El aceite maltoide solubilizado en n-heptano se

adsorbió mediante flujo por gravedad en el lecho empacado. Los solventes utilizados para la

separación extrográfica son n-heptano, tolueno, metanol, ácido acético, tetrahidrofurano, acetona,

piridina y acetonitrilo grado analítico (Merck).

4.3.3. Fraccionamiento de asfaltoides. Los asfaltenos pueden fraccionarse a partir de su solución en tolueno por medio de precipitación

fraccionada con n-pentano, en tantos subgrupos, como combinaciones de solventes puedan

lograrse296 y para el presente estudio se utilizaron las relaciones sugeridas por Tojima y

colaboradores297 con el fin de obtener 4 fracciones de asfaltoides desde mezclas volumétricas

tolueno:pentano 30:70 (Asf 4), 25:75 (Asf 3), 20:80 (Asf 2) y 10:90 (Asf 1). Los asfaltoides

precipitados se separaron del sobrenadante por centrifugado, se lavaron dos veces con n-pentano y se

secaron por evaporación de n-pentano a 303 K.

4.3.4. Análisis próximo, elemental y poder calorífico. A las fracciones separadas por extrografía se les determinó su análisis próximo en un equipo

TGA/DSC 1 STARe System (Mettler Toledo). El análisis elemental se realizó en un equipo LECO

CHN 600 (para carbono, nitrógeno e hidrógeno) según norma ASTM D5291-96, y LECO SC 132

para azufre, según norma ASTM D5016 y el oxígeno se calculó por diferencia. El poder calorífico de

las fracciones se determinó a partir del análisis elemental con la ecuación de Beckham unificada por

Channiwala y Parikh298.

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4.3.5. Termogravimetría acoplada a masas y calorimetría. Las experiencias de termogravimetría/calorimetría diferencial de barrido (TGA/DSC) se realizaron en

un equipo TGA/DSC 1 STARe System (Mettler Toledo) acoplado a un espectrómetro de masas

cuadrupolo Pffeifer Vacuum D-35614 Asslar, modelo GSD301C3, en el intervalo de 1 a 300 uma con

una temperatura de la sonda de 393 K conectada on-line al equipo TGA/DSC. La rutina de trabajo de

la Termogravimetría es semejante a la utilizada en la Termogravimetría con el equipo TGA-7 con

helio como gas de arrastre.

4.3.6. Resonancia magnética nuclear y espectroscopía infrarroja. Las experiencias de resonancia magnética nuclear se realizaron en un espectrómetro Bruker Avance

400 equipado con una sonda BBI Grad optimizada para 1H. Los datos se adquirieron del

espectrómetro por medio de una unidad de proceso Hewlett Packard X2000 programada con Icon

NMR y XWinNMR versión 3.5 para la adquisición de datos. Los espectros se corrigieron en línea

base y fase por medio del software MestRec 4.8. Los análisis mediante espectroscopia infrarroja se

realizaron en un equipo Perkin-Elmer FTIR 1000, en película líquida sobre placa de KBr para los

materiales líquidos o untuosos y en pastillas con KBr para las fracciones sólidas a temperatura

ambiente. Los datos se corrigieron en línea base y se normalizaron por medio del software Omnic 7.

4.3.7. Cromatografía de gases acoplada a espectrometría de masas. A una muestra de biocrudo sin pre-asfaltoides se le realizó cromatografía de gases en un cromatógrafo

GC-17A Shimadzu equipado con una columna RTX-5, la temperatura del horno se programó a 323

K durante 4 min y se elevó hasta 573 K a una velocidad de 4 K/min. El programa total de

calentamiento fue de 75 minutos. El equipo de cromatografía se encuentra acoplado on-line a un

espectrómetro de masas GCMS-QP5050A Shimadzu. Se utilizó como solvente acetona grado HPLC.

Los materiales eluidos de la columna se ionizaron con un potencial de 70eV y se realizaron escaneos a

intervalos de 0,55 segundos con velocidad de 1000 uma/segundo. El voltaje en el detector es 1,80 kV.

Los cromatogramas se rectificaron por medio de la sustracción de una curva gaussiana compuesta

para corregir la deriva de línea base que presentan el cromatogramas y los espectros de masas de las

sustancias mayoritarias detectadas se analizaron por medio del software AMDIS y NIST MS Search

2.0, empleando la librería MainLib, versión 08. También se empleó la base de datos de espectros de

masas de AIST para encontrar semejanzas estructurales de las sustancias no identificadas.

4.3.1. Presión de vapor. Las experiencias de presión de vapor para aceites maltoides se realizaron en un sistema de micro-

destilación compuesto por un balón de vidrio PYREX® aforado de 1 ml con calefacción controlada

acoplado a un manómetro de mercurio. El sistema de micro-destilación se purgó inicialmente con

nitrógeno UAP tras la inclusión de la muestra en el balón aforado. La medida de presión de vapor se

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Estudio de la naturaleza química de biocrudos obtenidos mediante licuefacción hidrotérmica de biomasa lignocelulósica 47

realizó para el aceite maltoide fresco y tras ser re enfriado a temperatura ambiente para cualificar la

pérdida de presión de vapor por degradación del material.

4.3.2. Microscopía electrónica de barrido. El aceite maltoide pesado, los asfaltoides 1, 2, 3, 4 y los pre-asfaltoides se analizaron en su textura

superficial por medio de SEM-EDS en un Microscopio Electrónico de Barrido FEI QUANTA 200

dotado con un detector de electrones retrodispersados (SSD) y una microsonda EDAX© (Energy

Dispersive X-ray Microanalysis). Las muestras se metalizaron previamente con oro por medio de un

sputter SDC-050 marca Balzers, en vacío (<0,013 kPa) con argón como gas de ataque (plasma) sobre

una placa (cátodo) de oro-paladio (8:2). La película depositada sobre las muestras (ánodo) tiene un

espesor típico de ± 200 nm.

4.4. RESULTADOS Y ANÁLISIS.

4.4.1. Extrografía de aceites maltoides En el estudio por extrografía de los aceites maltoides por la norma ASTM D4124 se recuperaron

eluciones con n-heptano en mezcla con tolueno pero no fue posible obtener la elución de la fracción

correspondiente a tricloroetileno, cloroformo o acetato de etilo indicada para la recuperación de

compuestos de tipo polar/aromático299, lo cual indica que en los aceites maltoides, no existe afinidad

estructural de sus componentes hacia dichos solventes o suficiente índice de polaridad para

desorberlos. Por esta razón, se aplicó el método SESC realizando las eluciones con tetrahidrofurano

(THF) en mezclas con metanol (10 %), ácido acético (10 %) y agua (10 %). Se encontró que las

mezclas con ácido acético y agua logran desorber dos familias de compuestos desde la alúmina al

utilizarlas en ese orden (polaridad descendente) y que al finalizar el proceso extrográfico permanece

en la alúmina una pigmentación tenue en la cima de la columna que indica la presencia de

compuestos retenidos. Para retirarlos se utilizó una solución de acetona/acetonitrilo y acetona/10%

piridina, a semejanza de la metodología SESC que permite extraer compuestos ricos en nitrógeno y

altamente polares300. Con estas soluciones no se logró desorber ningún compuesto, lo cual es

coherente con el bajo contenido de nitrógeno presente en el biocrudo como se observó por su análisis

elemental (capítulo 3).

Para confirmar la adsorción completa de los aceites maltoides sobre la alúmina activada, al solvente

recuperado del fondo de la columna extrográfica se le realizó cromatografía de gases en un

cromatógrafo Hewlet Packard equipado con columna HP-PLOT Q, gas de arrastre: helio, temperatura

de horno 423 K (2 min) y calentamiento de 15 K/min hasta 573 K, modo split: 100 ml/min,

detector de ionización de llama a temperatura de 573 K, a cuyas condiciones se corrieron previamente

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patrones de n-heptano y decanos. La única señal que se observó (figura 18) fue la correspondiente al

n-heptano con lo cual se confirma que la adsorción es completa.

Figura 18. Cromatogramas para n-heptano recuperado de la columna de alúmina activada fresca

(línea negra, 8 min), patrón de n-heptano (línea roja pronunciada, 8 min) y una solución de

decanos (línea baja con tres picos, 8-22 min).

Para desorber en familias químicas el aceite maltoide retenido en la columna de alúmina se definió la

serie eluotrópica mostrada en la tabla 12, calculándose los respectivos índices de polaridad asumiendo

aditividad de los índices individuales (ChemDat versión 2004). Se observó que las rutinas de trabajo

adaptadas cumplen con un patrón de incremento de polaridad simultáneamente con el uso de

solventes que poseen afinidad química y posiblemente estructural con cada elución de aceites

maltoides. Al final de cada extrografía las columnas se secaron a 333 K y se calcinaron para

determinar el porcentaje de aceites maltoides no desorbidos y se encontró que este valor es 2,39 % de

la fracción soluble en n-heptano (1,43 % del biocrudo).

Tabla 12. Solventes y soluciones para separación extrográfica de aceites maltoides.

Solvente Índice de polaridad del

solvente o solución n-heptano/5% tolueno 0,13 n-heptano/40% tolueno 0,96 Tolueno 2,40 Tolueno/5% metanol 3,75 Tetrahidrofurano (THF) /10% metanol 4,11 Tetrahidrofurano (THF) /10% agua 4,62 Tetrahidrofurano THF/10% ácido acético 4,06 Acetona/Acetonitrilo 5,45

-

200

400

600

800

1.000

0 10 20 30 40 50Tiempo de retencion (min)

Con

teo

(x10

00)

elucion en alumina de bio-crudo soluble en n-heptanopatron de n-heptanosolucion de decanos

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Estudio de la naturaleza química de biocrudos obtenidos mediante licuefacción hidrotérmica de biomasa lignocelulósica 49

El extrograma de los aceites maltoides se muestra en la figura 19. Los grupos de picos de elución

corresponden consecutivamente a los volúmenes extraídos con n-heptano/5 % tolueno (de 20 a 30

ml en el extrograma), n-heptano/40 % tolueno (de 40 a 70 ml en el extrograma), tolueno (de 70 a

100 ml en el extrograma), tolueno/5 % metanol (de 100 a 130 ml en el extrograma), tetrahidrofurano

(THF)/10 % ácido acético (de 160 a 190 ml en el extrograma) y THF/10 % agua (de 190 a 210 ml en

el extrograma). Las eluciones de THF/10 % metanol (de 130 a 160 ml en el extrograma) no

desorbieron sustancias medibles por gravimetría al igual que la mezcla acetona/acetonitrilo, como se

mencionó anteriormente.

Figura 19. Extrograma de los aceites maltoides en columna de alúmina activada.

Los resultados de rendimiento de aceites maltoides se muestran en la tabla 13. Bajo las anteriores

circunstancias, la técnica de extrografía de aceites maltoides permite un fraccionamiento efectivo y

reproducible. Es importante resaltar que el método de extrografía ya ha sido aplicado por otros

investigadores a breas de carbón301, crudos de petróleo pesados302, como parte del proceso analítico de

su naturaleza química, y en esta tesis se re-diseña y escala por primera vez el procedimiento como una

rutina específica para fracciones de un biocrudo de CHT de biomasa lignocelulósica.

De acuerdo con los resultados finales de la extrografía de los aceites maltoides, en esta fracción se

encuentran presentes un importante conjunto de sustancias de carácter alifático (23,89 %), las cuales

son eluidas con las mezclas de n-heptano/tolueno. Hay familias de marcado carácter aromático que

son eluidas con tolueno y posterior a ellas se encuentran un grupo de sustancias aromáticas polares

que conforman el mayor porcentaje de los aceites maltoides (42,18 %), y dada la afinidad por la

mezcla tolueno/metanol pueden contener variedades de fenoles monocíclicos en su estructura. Un

tercer grupo de sustancias presenta afinidad por el THF, con dualidad de naturaleza debido al

resultado de la desorción de grupos diferenciados en las eluciones con THF/ácido acético y

THF/agua. Es factible que en la elución THF/ácido acético se encuentren sustancias con núcleos

0

0,1

0,2

0,3

0,40,5

0,6

0,70,8

0,9

1

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240

Frac

ción

de

extr

ogra

fía

nor

mal

izad

a

Volumen eluido, ml

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furánicos y grupos carbonilo. Es de resaltar que esta fracción es la única que se muestra semisólida al

retirar el solvente de elución. Dado que no se lograron desorciones con mezclas de piridina, se

descartan este tipo de estructuras en los aceites maltoides.

Tabla 13. Fracciones de asfaltoides obtenidas del fraccionamiento por precipitación por medio

de resolublización en cloroformo y precipitado con pentano.

Nombre asignado, Fracción de extrografía Porcentaje en el aceite maltoide

Porcentaje en el biocrudo*

AM 1, n-Heptano/5% tolueno 23,89 14,26 AM 2, n-Heptano/40% tolueno 9,48 5,66 AM 3, Tolueno 12,25 7,31 AM 4, Tolueno/5% metanol 42,18 25,19 Tetrahidrofurano/10% metanol 0 0 AM 5, Tetrahidrofurano/10% agua 4,82 2,88 AM 6, Tetrahidrofurano/10% ácido acético 3,83 2,29 Acetona/acetonitrilo 0 0 Retenido en columna 2,39 1,43 Pérdidas 1,16 0,69 TOTAL 100,00 59,71 * Calculado considerando que el aceite maltoide corresponde al 59,71 % del biocrudo (ver tabla 10).

4.4.2. Fraccionamiento de asfaltoides. La cuantificación de las sub-fracciones de los asfaltoides precipitados con n-pentano a partir de la

fracción de biocrudo CHT-13 insoluble en n-heptano y soluble en tolueno se lista en la tabla14,

encontrándose que el 41 % de ellos precipita ante la primera dilución con n-pentano y puede

corresponder a policiclos aromáticos de mayor peso molecular, grupos polares o altamente oxigenados

con un importante contenido de metales (Asf 4). El porcentaje de asfaltoides precipitados disminuye

a medida que se reduce la relación tolueno:pentano y se produce por la disminución de la polaridad

del medio más que por presencia de familias características de asfaltoides y, así mismo, las fracciones

de asfaltoides 3, 2 y 1 deben contener menores proporciones de grupos oxigenados en su estructura,

respectivamente.

Tabla 14. Fraccionamiento de asfaltoides por precipitación con n-pentano.

Relación solvente/precipitante, (v:v) y nombre asignado

Porcentaje en el asfaltoide

Porcentaje en el biocrudo

Tolueno/pentano (30:70) , Asf 4 40,95 11,15 Tolueno/pentano (25:75) , Asf 3 21,97 5,98 Tolueno/pentano (20:80) , Asf 2 15,26 4,16 Asfaltoides solubles, Asf 1 21,82 5,94 TOTAL 100,00 27,24

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Estudio de la naturaleza química de biocrudos obtenidos mediante licuefacción hidrotérmica de biomasa lignocelulósica 51

Las sub-fracciones Asf 4, Asf 3 y Asf 2 son sólidas a temperatura ambiente (291 K) y funden por

calentamiento a 333 K. El asfaltoide 1 corresponde a la fracción soluble en la solución con relación

20:80 de tolueno/pentano; al retirarse el solvente presentó una textura semidura y corresponde al

21,82 % de los asfaltoides CHT-13.

4.4.3. Análisis próximo, elemental y poder calorífico. El análisis próximo de las fracciones de biocrudo CHT-13 separadas por los métodos exclusión con

solventes selectivos (aceites maltoides pesados y pre-asfaltoides), extrografía (aceites maltoides 1 a 6), y

precipitación fraccionada con pentano (asfaltoides 1 a 4) se muestra en la tabla 15 y su composición

elemental, relaciones atómicas H:C, O:C y poder calorífico se listan en la tabla 16. Se observó que los

materiales con mayor contenido de humedad son los pre-asfaltoides (15,95 %). Los aceites maltoides

no presentan valores de humedad significativos y solamente los tres primeros no sobrepasan el 1 %.

Dado que todos los materiales se preservaron en desecador bajo las mismas condiciones, se justifica el

valor de humedad de equilibrio alcanzado por los preasfaltoides y los asfaltoides a grupos funcionales

capaces de coordinar o asociarse fuertemente con moléculas de agua provenientes de la humedad

atmosférica.

Tabla 15. Análisis próximo de sub-fracciones de biocrudo CHT-13.

Fracción de

biocrudo

Humedad,

%

Materia Volátil,

%

Cenizas,

%

Carbono fijo,

AM 1 0,80 96,52 0 2,68

AM 2 1,02 90,40 0 8,58

AM 3 0,52 78,93 0 20,55

AM 4 0,60 87,26 0,72 11,42

AM 5 2,01 76,79 0 21,20

AM 6 2,27 69,55 0,56 27,62

AMP 3,12 64,82 1,80 30,26

Asf 1 6,45 82,65 1,87 9,03

Asf 2 6,76 59,73 6,88 26,63

Asf 3 7,1 59,39 5,28 28,23

Asf 4 5,74 54,68 12,62 26,96

PAsf 15,95 40,72 18,56 24,77 § Calculado por diferencia

Los aceites maltoides presentan el mayor contenido de materia volátil, resaltando sus contenidos para

los maltoides 1 y 2 donde es mayor a 90 %. En los aceites maltoides se presenta una excepción a la

serie de valores consecutivos de materia volátil en la elución con tolueno/10 % metanol (maltoide 4)

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por lo cual se atribuye su separación extrográfica a una afinidad química por un ambiente aromático

con mayor contenido de heteroátomos que los aceites maltoides 1, 2, 3 y 5.Estos aceites maltoides no

reportan contenido de cenizas y durante el tiempo de preservación en desecador, los aceites maltoides

1 a 3 nunca perdieron su fluidez. El contenido de materia volátil disminuye progresivamente en los

asfaltoides 1 a 4 y es mínimo en los pre-asfaltoides lo cual da cuenta de una mayor organización

estructural de cada sub-fracción.

El mayor contenido de nitrógeno lo presentó el aceite maltoide 4 y adicionalmente es la única sub-

fracción a la que le fue detectado azufre, con lo cual se pone de manifiesto que la extrografía con

tolueno/10% metanol es selectiva a sustancias con grupos oxigenados, nitrogenados e inclusive

compuestos azufrados de los aceites maltoides. En general, son los aceites maltoides quienes

contienen el mayor porcentaje de hidrógeno de todas las subfracciones del biocrudo CHT-13 y el

menor contenido de oxígeno; este contenido de hidrógeno es intermedio entre el carbón y

petróleos303. Es de notar que los pre-asfaltoides no son el conjunto de compuestos con más alto

contenido de oxígeno y que este valor máximo se encuentra en el asfaltoide 4, lo cual confirma la

precipitación inicial con n-pentano discutida previamente.

Tabla 16. Composición elemental, relaciones atómicas H:C, O:C y poder calorífico de sub-

fracciones de biocrudo CHT-13.

Fracción C, % H, % N, % S, % O§

Relación

Atómica

H:C

Relación

Atómica

O:C

Poder

calorífico,

MJ/kg

AM 1 88,69 9,54 n.dtc n.dtc 1,77 1,29 0,01 40,04

AM 3 89,64 9,85 n.dtc n.dtc 0,51 1,32 0 40,80

AM 4 82,33 7,92 4,01 0,01 5,73 1,15 0,09 35,43

AM 5 90,22 9,04 n.dtc n.dtc 0,74 1,20 0,01 40,21

Asf 1 83,13 6,89 3,75 n.dtc 6,23 0,99 0,09 34,72

Asf 4 73,39 6,76 3,46 n.dtc 16,39 1,11 0,20 30,13

PAsf 80,33 6,06 3,19 n.dtc 10,42 0,91 0,10 32,57 § Calculado por diferencia. n.dtc.: no detectado

Todos los aceites maltoides presentan relación atómica H:C superior a 1,15 y relación atómica O:C

cercana a cero, lo cual los muestra como sustancias afines a combustibles de tipo alifático y

aromático304 y de verdadera importancia como combustibles, aditivos o mejoradores. Su poder

calorífico también es el mayor de la serie de sub-fracciones y es superior al del biocrudo mismo (33-35

MJ/kg). Las relaciones atómicas H:C de los asfaltoides estudiados son cercanas a 1 y presentan

relaciones atómicas O:C en un intervalo amplio entre 0,09 y 0,20, confirmando que esta familia de

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compuestos es la de mayor contenido de grupos funcionales oxigenados. El poder calorífico de los

asfaltoides y pre-asfaltoides es inferior al de los aceites maltoides y el biocrudo sin fraccionar pero es

de importancia energética si se le compara con los lignitos305. Vistas las relaciones atómicas en un

diagrama de Van Krevelen (H:C en función de O:C, figura 20) se aprecia que los aceites maltoides

comparten una región estrecha de relaciones atómicas H:C y O:C. Los asfaltoides y pre-asfaltoides

tienen relaciones H:C menores con relaciones O:C dispersas lo cual permite esperar amplia variedad

de estructuras y moléculas en los asfaltoides y pre-asfaltoides y mayores semejanzas químicas o

estructurales en los aceites maltoides.

Figura 20. Diagrama de Van Krevelen para sub-fracciones de biocrudo CHT-13

4.4.4. Termogravimetría acoplada a espectrometría de masas y calorimetría

diferencial El biocrudo CHT-13 sin fraccionar se caracterizó en su comportamiento termogravimétrico acoplado

a detección de masas y por calorimetría diferencial para realizar un análisis cualitativo de los gases

evolucionados durante el proceso térmico y su relación con las sustancias que conforman el biocrudo

y las transiciones internas del material. Los resultados de termogravimetría se muestran en la figura 21

donde también se grafican las masas detectadas con mayor variación y los resultados de calorimetría

se muestran en la figura 22.

De acuerdo con la figura 21, desde el principio de la experiencia de termogravimetría del biocrudo

CHT-13 se observa que la primera volatilización sucede cerca de 373 K y las masas detectadas con

mayor intensidad de corriente son las 18 y 28, mostrando que existe liberación de vapor de agua y

monóxido de carbono, principalmente. A partir de 373 K, hay continuidad en la generación de las

masas listadas, y desde 473 K se incrementa la intensidad de las señales de las masas 15, 43 y 57, las

cuales coinciden con la aparición del primer máximo en la derivada del termograma. Estas tres masas

pueden corresponder al ión -CH3, los iones -C3H7 o-CH3CO y al ión -C4H9, respectivamente,

representando esta pérdida de masa en 473 K un proceso de pirólisis de fragmentos de cadenas

Maltoides

Asfaltoides

Pre-asfaltoides

0,60

0,70

0,80

0,90

1,00

1,10

1,20

1,30

1,40

0,00 0,04 0,08 0,12 0,16 0,20

Rel

ació

n at

ómic

a H

:C

Relación atómica O:C

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alifáticas306. La señal para m/z=16 también presenta un aumento tenue que da cuenta de la formación

de metano. La señal para m/z=26 aumenta levemente en esta región, con lo cual puede sugerirse que

corresponde a un fragmento alifático, por ejemplo -C2H2, por lo tanto, en el biocrudo se volatilizan en

mayor proporción cadenas terminales de 1, 2, y 3 carbonos ya que la señal para el ion 57 (4 carbonos)

es un orden de magnitud inferior. La señal más intensa es la del ion con masa 43, lo cual sugiere que

las especies alifáticas pirolizadas en esta región de temperatura son principalmente de tipo -C3H7 y-

CH3CO.

Figura 21. Termogravimetría del biocrudoCHT-13 y las masas con mayor variación detectadas.

El único incremento débil de la señal m/z=18 ocurre entre 400 y 500 K y a partir de esta temperatura

se torna constante, concordando con un proceso de deshidratación permanente. La señal m/z=44

presenta un incremento a partir de 600 K mostrando degradación de carboxilos en forma ácida307 y

carboxilos en forma de catión308 en los valores máximos.

A partir de 600 K, la derivada del termograma alcanza su máximo local y las masas 15, 26, 43 y 44

incrementan su señal, con lo que se pone de manifiesto que la pérdida de masa corresponde a la

escisión de iones metilo, fragmentos alifáticos y formación de dióxido de carbono. Cerca de 700 K, la

señal de la masa 44 empieza a declinar y se presenta un nuevo pico en la derivada acompañado del

aumento de las señales 26 (asignada a -C2H2), 29 (asignada a -C2H5), 43, 57 y 91 (asignada a

fragmentos del ion -C7H7) con lo cual se evidencia pirolisis de fragmentos de 2 a 4 carbonos que

1,E-10

1,E-09

1,E-08

1,E-07

1,E-06

1,E-05

0 200 400 600 800

Inte

nsi

dad

de c

orri

ente

, A

Temperatura, K

m/z=15m/z=16m/z=18m/z=26m/z=28m/z=29m/z=43m/z=44m/z=57m/z=91

-1,0

-0,8

-0,6

-0,4

-0,2

0,00

20

40

60

80

100

DT

G, %

mas

a/K

mas

a, %

TG

DTG

300 500 700 900 1100

Page 71: Estudio de la naturaleza química de bio-crudos … · El agotamiento de los combustibles de origen fósil así como los problemas ambientales asociados con su ... Análisis de gases

Estudio de la naturaleza química de biocrudos obtenidos mediante licuefacción hidrotérmica de biomasa lignocelulósica 55

pueden proceder de la descomposición de anillos aromáticos descritos por la masa 91. En esta misma

región se intensifica la señal 15 y alcanza un valor máximo junto con la señal m/z=16 alrededor de

800 K lo cual muestra la existencia de importantes volúmenes de iones metilo presentes en el

biocrudo y que una parte de estos se transforma en metano. El amplio intervalo de temperatura (600

– 930 K) en el que se detectó la masa 15 muestra una continua desmetilación del biocrudo y que,

siendo éste un componente lábil del material, permite inferir un contenido importante de

sustituyentes o puente metilo en moléculas de elevado peso molecular dada la baja intensidad de la

señal m/z=91 que muestra la mayor estabilidad de los compuestos con estructura aromática a elevadas

temperaturas.

A partir de 800 K todas las señales decrecen y se hacen nuevamente estables desde 900 K y el período

de máxima volatilización de biocrudo termina de acuerdo con el termograma. Las únicas señales que

retoman una pendiente ascendente son las correspondientes a las masas 43 y 44, mostrando que el

período final de descomposición térmica del biocrudo, si bien no manifiesta una pérdida notoria de

masa, emite dióxido de carbono, el cual puede estar relacionado con la descomposición de

carbonatos309 formados en el proceso pirolítico.

Figura 22. Termograma y calorimetría diferencial de barrido del biocrudoCHT-13.

En la figura 22 correspondiente a los resultados de termogravimetría y calorimetría diferencial se

observa que la línea base del flujo de calor es descendente desde temperatura ambiente hasta 500 K,

mostrando un período de fusión y reordenamiento del material y después se torna ascendente

indicando degradaciones continuas y traslapadas de los componentes al interior del biocrudo. Dado

que en torno de 500 K se presenta desprendimiento de iones con masas que sugieren pirólisis de

cadenas alifáticas de 2 y 3 carbonos, es factible que en la rampa de calentamiento desde temperatura

ambiente hasta 480 K, el biocrudo aumente su factor de aromaticidad y presente recristalización.

0

20

40

60

80

100

0 100 200 300 400 500 600 700 800

Fluj

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cal

or y

der

ivad

a , u

nida

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mas

a, %

Temperatura, K

TGDSCDerivada DSC

← e

xoté

rmic

o

end

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mic

o →

300 500 700 900 1100

Page 72: Estudio de la naturaleza química de bio-crudos … · El agotamiento de los combustibles de origen fósil así como los problemas ambientales asociados con su ... Análisis de gases

A pesar que la curva de flujo de calor no presenta picos notorios de fusiones o transiciones, su

primera derivada señala efectos térmicos relevantes en torno delos valores de temperatura 311, 463,

708 y 923 K. El primero puede atribuirse a fusión de componentes en el biocrudo. A partir de 463 K

ocurre un segundo efecto evidenciado en la derivada y es factible que sea esta temperatura el límite de

estabilidad térmica del biocrudo ya que se ha observado que es a partir de la cual empieza el proceso

de descomposición pirolítica propiamente y se conjuga la zona de mayor velocidad de pérdida de

masa y aumento de las señales de iones de masa 15, 16, 29 y 44. La señal de la derivada en torno de

923 K concuerda con el final del período de máxima volatilización y el último incremento de la señal

de iones m/z=44.

Las fracciones de aceites maltoides 1 a 5, el aceite maltoide pesado, los asfaltoides 1 a 4 y el pre-

asfaltoide también fueron analizadas en su comportamiento térmico cuyos resultados se muestran en

las figuras 23 y 24. Los aceites maltoides 1, 2 y 3 se comportan como una cadena homóloga en el

sentido que cada sub-fracción muestra un termograma acorde con el menor contenido de materia

volátil presentando mayor cantidad de carbono fijo, lo cual sugiere un incremento progresivo de la

masa molecular de los componentes de cada elución. Los aceites maltoides obtenidos con eluciones

de tolueno/metanol y tetrahidrofurano/ácido acético tienen un comportamiento diferente que se

solapa con los primeros maltoides y esto sugiere una naturaleza química distinta.

Figura 23. Termogravimetría de los aceites maltoides de biocrudoCHT-13.

Los aceites maltoides 4, 5 y pesados conforman un grupo característico de serie homóloga a partir de

500 K. los termogramas con inflexiones más notorias son los de los aceites maltoides 6 y pesados,

mostrándose como materiales reactivos y de mayor diversidad estructural. Es de resaltar el

termograma del aceite maltoide 6, que presenta la más baja pérdida de masa y súbitamente presenta

una reducción de 16 % de masa entre 840 y 870 K, luego de lo cual su termograma se ubica en

valores intermedios entre el aceite maltoide 5 y el aceite maltoide pesado.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 200 400 600 800

mas

a, %

Temperatura , K

Maltoide 1Maltoide 2Maltoide 3

0 200 400 600 800

Maltoide 4

Maltoide 5

Maltoide 6

Maltoide Pesado

300 500 700 900 1100 300 500 700 900 1100

Page 73: Estudio de la naturaleza química de bio-crudos … · El agotamiento de los combustibles de origen fósil así como los problemas ambientales asociados con su ... Análisis de gases

Estudio de la naturaleza química de biocrudos obtenidos mediante licuefacción hidrotérmica de biomasa lignocelulósica 57

En los termogramas de los asfaltoides se aprecia un alta similitud en las curvas de asfaltoides 2 y 3,

prácticamente traslapadas, evidenciando que son compuestos de naturaleza semejante de acuerdo con

su comportamiento térmico y es un grupo de compuestos que conforman un estado intermedio entre

los asfaltoides 1 y 4 y dado que fueron separados de la solución en tolueno por un incremento de la

relación volumétrica de n-pentano, deben presentarse familias de sustancias semejantes en naturaleza

química y grupos funcionales que difieren solamente en polaridad y tensión superficial310. El

asfaltoide 1 presenta la mayor velocidad de pérdida de masa hasta 720 K mientras que el asfaltoide 4

es el de menor velocidad de pirólisis y al llegar a 1400 K conserva 40 % de su masa inicial. Los

asfaltoides 2, 3, y 4 presentan un período de recuperación de masa entre 300 y 330 K que significa un

proceso de deshumidificación y estabilización del sistema.

Figura 24. Termogravimetría de asfaltoides y pre-asfaltoide de biocrudoCHT-13.

El termograma del pre-asfaltoide muestra tres regiones diferenciadas, siendo la primera la

comprendida entre 300 y 380 K donde ocurre pérdida de humedad. La segunda zona se extiende

hasta 730 K y la tercera zona finaliza cerca de 1050 K. Estas dos regiones corresponden a pirólisis con

pérdida de moléculas lábiles en la periferia de los pre-asfaltoides311 simultáneo con su reestructuración

y posterior pirólisis lenta.

Para asignar las pérdidas de masa en los termogramas a compuestos o grupos funcionales

característicos pirolizados, se monitorearon las masas de iones emitidas durante las corridas

termogravimétricas de aceites maltoides, asfaltoides y pre-asfaltoides, todos sin fraccionar, los cuales se

muestran en las figuras 25, 26 y 27, respectivamente. En los resultados para aceites maltoides no se

detectaron variaciones en m/z=18, atribuidas a pérdida de moléculas de agua y no hay señal para

iones que puedan corresponder a oxidos de carbono, cadenas de 1, 2, o 3 carbonos escindidos por

pirólisis o formación de metano, lo cual da a estos materiales una cualidad de volatilidad superior

entre los componentes del biocrudo. La inexistencia de señales para óxidos de carbono se justifica en

que estos compuestos son los que presentan el mas bajo contenido de oxígeno cercano a cero. A

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 200 400 600 800

mas

a, %

Temperatura , K

Asfaltoide 1

Asfaltoide 2

Asfaltoide 3

Asfaltoide 4

0 200 400 600 800

Pre-asfaltoide

300 500 700 900 1100 300 500 700 900 1100

Page 74: Estudio de la naturaleza química de bio-crudos … · El agotamiento de los combustibles de origen fósil así como los problemas ambientales asociados con su ... Análisis de gases

partir de 373 K se produce un incremento de la señal para m/z=91, asignada previamente a la

presencia de anillos aromáticos, y desde 480 K se intensifican señales con masas desde 227 uma y

hasta 298 uma (límite de detección del equipo). Estos resultados señalan la evaporación exclusiva

delos aceites maltoides entre 291 y 480 K. A partir de 480 K se presenta pirólisis y re-estructuración al

interior del aceite maltoide, manifestada en la pérdida de masa que muestran todos los aceites

maltoides en sus termogramas y las señales de masas emitidas superiores a 227 uma. La combinación

de procesos pirolíticos entre diferentes aceites maltoides, especialmente del 4 al 6 pueden

desencadenar la generación de asfaltoides a partir de la asociación de sus estructuras individuales.

Figura 25. Masas notorias emitidas durante la pirólisis de aceites maltoidesCHT-13.

Los asfaltoides y pre-asfaltoides mostraron las señales características de masas discutidas para el

biocrudo CHT-13 sin fraccionar. En los asfaltoides se observa la primera variación importante para

m/z= 15, 26, 29, 43, 57 y 91 entre los 380 y 480 K, mostrando un proceso de pirólisis tanto de

cadenas alifáticas de 1 a 5 carbonos, así como de anillos aromáticos. No se aprecia generación de

monóxido o dióxido de carbono. En los pre-asfaltoides se presentan un incremento en la misma

región solamente para m/z= 43, 57, 91, siendo mayor la señal de m/z=91, mostrando más baja

proporción de enlaces de tipo metilo, etilo o propilo en su estructura, frente a la de los asfaltoides y

mayor contenido de compuestos aromáticos. En los asfaltoides la generación de esta señal de masas es

más resuelta (desde 380 hasta 470 K) que en los pre-asfaltoides, donde el período de volatilización de

las masas mencionadas describe una rampa que se extiende y finaliza alrededor de 520 K. A partir de

600 K el seguimiento de masas en asfaltoides y pre-asfaltoides muestra un incremento de las señales

asignadas a pirólisis de metilos (15 uma) y producción de dióxido de carbono (44 uma). Desde 673 K,

los asfaltoides presentan una variación irregular en las masas 15, 43 y 44, mostrando que la

generación de dióxido de carbono ocurre a partir de carboxilos ácidos. En los pre-asfaltoides no se

observa esta irregularidad y es factible que la descomposición involucre una mayor proporción de

carboxilos en forma catiónica.

1,E-10

1,E-09

1,E-08

1,E-07

1,E-06

1,E-05

0 200 400 600 800

Inte

nsi

dad

de c

orri

ente

, A

Temperatura, K

m/z=145

m/z=18

m/z=298

m/z=227

m/z=277

m/z=91

300 500 700 900 1100

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Estudio de la naturaleza química de biocrudos obtenidos mediante licuefacción hidrotérmica de biomasa lignocelulósica 59

Figura 26. Masas notorias emitidas durante la pirólisis de asfaltoides CHT-13.

Figura 27. Masas notorias emitidas durante la pirólisis de pre-asfaltoides CHT-13.

El intervalo de temperaturas entre 600 y 950 K se evidencia una importante pérdida de fragmentos de

masa 15 en asfaltoides y pre-asfaltoide, la cual coincide con la zona de mayor velocidad de pérdida de

masa en los termogramas infiriéndose que después de la pirólisis de los componentes ubicados en la

periferia de asfaltoides y pre-asfaltoides, ocurre pirólisis al interior de los materiales y se escinden

principalmente metilos. En los asfaltoides se presenta un incremento de la señal para m/z=91, la cual

más extensa en el caso del pre-asfaltoide, con lo que se confirma un mayor contenido de anillos y de

policiclos aromáticos en el pre-asfaltoide. El final del período de pirólisis es semejante al del biocrudo

sin fraccionar y se presenta un incremento final y leve de la señal m/z=44 la cual se asignó

previamente a la posible descomposición de carbonatos formados durante la reestructuración del

material, dado que estas fracciones de biocrudo poseen típicamente ente sus cenizas gran cantidad de

metales312.

1,E-10

1,E-09

1,E-08

1,E-07

1,E-06

1,E-05

0 200 400 600 800

Inte

nsid

ad d

e co

rrie

nte,

A

Temperatura, K

m/z=15m/z=16m/z=18m/z=26m/z=28m/z=29m/z=43m/z=44m/z=57m/z=91

1,E-10

1,E-09

1,E-08

1,E-07

1,E-06

1,E-05

0 200 400 600 800

Inte

nsid

ad d

e co

rrie

nte,

A

Temperatura, K

m/z=15m/z=16m/z=18m/z=26m/z=28m/z=29m/z=43m/z=44m/z=57m/z=91

300 500 700 900 1100

300 500 700 900 1100

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4.4.5. Espectroscopía infrarroja y resonancia magnética nuclear Los resultados del análisis por espectroscopía infrarroja de las sub-fracciones de biocrudo se muestran

en las figuras 28 y 29. En el intervalo entre 3600 a 3200 cm-1 se aprecia una banda amplia de alta

intensidad para las sub-fracciones de aceites maltoides AM 2, AM 4, AM 6 en la figura28 y AMP de la

figura 29, así como para las sub-fracciones de asfaltoides Asf 3 y Asf 4, banda que se asigna a enlaces

O-H, v(O-H)313, mostrando grupos oxigenados en estos materiales bajo la forma de fenoles y alcoholes,

siendo los asfaltoides 3 y 4 los que pueden presentar mayor contenido de ellos por cuenta de la señal

más intensa y resuelta respecto de los otros espectrogramas y que concuerda con el mayor contenido

de oxígeno calculado por diferencia en el análisis elemental. El aceite maltoide pesado (AMP), el cual

se separó de los productos solubles en n-heptano a 291 K presenta semejanza en la forma de las

bandas de los asfaltoides más pesados, por lo que puede inferirse que su composición química es

similar.

En el intervalo entre 2700 y 3100 cm-1 se presentan tensiones de los enlaces carbono-hidrógeno

aromáticos314,v(C-H)ar , vista como un hombro en torno de 3020 cm-1 ; y alifáticos, v(C-H)al que

muestran bandas en torno de 2910 cm-1 asignada a la tensión simétrica y la segunda en torno de

2850 cm-1 correspondiente a la tensión asimétrica315, 316. En el aceite maltoide pesado (AMP) y en los

asfaltoides 3 y 4, la intensidad de la señal de absorbancia es más baja que en los demás

espectrogramas, indicando en estas sustancias menor proporción de grupos metilo o de cadenas

alifáticas.

Figura 28. Espectros infrarrojos de aceites maltoides obtenidos por extrografía.

40080012001600200024002800320036004000

Abs

orba

ncia

, uni

dade

s ar

bitr

aria

s

número de onda, cm-1

AM 6

AM 5

AM 4

AM 3

AM 2

AM 1

3360 2910

2850 1440 1580

1680

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Estudio de la naturaleza química de biocrudos obtenidos mediante licuefacción hidrotérmica de biomasa lignocelulósica 61

La región correspondiente al intervalo entre 1500 y 1700 cm-1 presenta una banda en torno a 1580

cm-1, característica de tensiones de carbonos del anillo aromático, v(C=C)317, 318. Es de anotar el alto

ruido combinado con la señal de los espectrogramas del aceite maltoide pesado (AMP) y de los

asfaltoides 3 y 4, mostrando una alta dispersión de la radiación infrarroja en estas muestras. Cerca de

1680 cm-1 se presenta una banda intensa en los aceites maltoides 2, 4, 5, 6, mostrados en la figura 31

y de menor intensidad en el asfaltoide 1 y en el pre-asfaltoide. Esta banda puede representar presencia

de grupos carbonilo319 en las subfracciones que mostraron contenido de oxígeno, como por ejemplo

el aceite maltoide 4 (AM 4), el asfaltoide 1 (Asf 1) y el preasfaltoide (Pre-Asf).

En la región de los espectrogramas en el intervalo entre 1400 y 1500 cm-1, se observa una banda de

mediana intensidad en torno de 1440 cm-1, debida al balanceo de los enlaces carbono-hidrógeno

alifáticos δ(CH3 y CH2). Esta banda es bastante resuelta en los aceites maltoides 1 a 6, en los

asfaltoides 3 y 4 y en el preasfaltoide.

Figura 29. Espectros infrarrojos de aceite maltoide pesado, asfaltoides y preasfaltoide.

Los resultados de las dos últimas regiones permiten realizar el cálculo de la relación de absorbancia

máximas en torno de 1440 y 1580 cm-1, que corresponden a vibraciones de enlaces carbono-carbono

aromático y alifático320 respectivamente, y de la cual se puede cualificar el grado de condensación de

láminas aromáticas y disminución de estructuras alifáticas321, 322,323 en las familias químicas del

biocrudo CHT-13. Estos resultados se muestran en la tabla 17.

40080012001600200024002800320036004000

Abs

orba

ncia

, uni

dade

s ar

bitr

aria

s

número de onda, cm-1

Pre-Asf

Asf 4

Asf 3

Asf 1

AMP

3360

2910

2850

1440 1580

1680

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Tabla 17. Absorbancia máximas en torno de 1580, 1440 cm-1 y su relación, de sub-fracciones de

biocrudo CHT-13.

Sub-fracciones de biocrudo CHT-13

Absorbancia, cm-1

1580 1440 Relación de absorbancia

1580 cm-1/1440 cm-1 AM 1 0,32 0,63 0,50 AM 2 0,45 0,77 0,61 AM 3 0,08 0,37 0,21 AM 4 0,68 0,81 0,83 AM 5 0,57 0,80 0,71 AM 6 0,43 0,69 0,62 AMP 0,44 0,40 1,09 Asf 1 0,50 0,67 0,75 Asf 2, 3 0,43 0,47 0,91 Asf 4 0,68 0,71 0,95 Pre-Asf 0,16 0,30 0,52

El aceite maltoide 4 (AM 4), el aceite maltoide pesado (AMP) y los asfaltoides 2, 3 y 4 presentan los

valores más cercanos a 1 de la relación de absorbancia, mostrando la coexistencia de estructuras

alifáticas y aromáticas. En los asfaltoides, este resultado concuerda con la detección de masas para

pirólisis de cadenas alifáticas (m/z=15, 26, 29, 57) y anillos aromáticos (m/z=91). En el caso del

aceite maltoide pesado, es de anotar que se observó su precipitación a 291 K a partir de la solución de

aceites maltoides en n-heptano desde el biocrudo CHT-13 y es factible que sea el componente más

aromático, voluminoso y estructurado de los aceites maltoides dada su relación de absorbancia 1,09.

La relación de absorbancia de 0,83 para el aceite maltoide 4 puede explicarse por medio del proceso

extrográfico y su análisis elemental, pues se mostró que esta sub-fracción de biocrudo contiene la

mayor proporción de heteroátomos por lo cual su estructura aromática debe contenerlos y esto reduce

directamente la proporción de cadenas alifáticas puesto que los heteroátomos más resistentes ante la

CHT se encuentran presentes en ciclos aromáticos324.

En el análisis FT-IR se presenta progresión hacia la unidad en los resultados de la relación de

absorbancia para los asfaltoides de forma semejante a la mostrada en los análisis termogravimétrico

para el contenido de carbono fijo y en el elemental para las relaciones O:C y H:C, lo cual implica que

los asfaltoides incrementan su grado de organización y aromaticidad desde Asf 1 hasta Asf 4.

Teniendo en cuenta la semejanza de los espectros infrarrojo de los asfaltoides con los del aceite

maltoide pesado y AM 4, es posible que en estas sub-fracciones puedan encontrarse los esqueletos

básicos estructurales de los asfaltoides.

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Estudio de la naturaleza química de biocrudos obtenidos mediante licuefacción hidrotérmica de biomasa lignocelulósica 63

Es de resaltar el valor de 0,52 de la relación de absorbancia para el pre-asfaltoide, de lo cual se infiere

que su estructura debe asemejarse a un polímero con policiclos aromáticos altamente entrecruzado

con puentes alifáticos, los cuales pueden tener hasta 4 o 5 carbonos, de acuerdo con los resultados de

termogravimetría acoplada a detección de masas que mostró una importante pirólisis para m/z= 15,

26, 57 y 91. Esta descripción del pre-asfaltoide lo hace similar a la lignina325, por lo cual puede

provenir de fragmentos parcialmente pirolizados o de productos repolimerizados que logran ser

lixiviados con 2-butanona desde los productos hidrofóbicos y sólidos de CHT.

Los aceites maltoides no presentan orden alguno en cuanto a la relación de absorbancia, de forma

análoga a su comportamiento termogravimétrico y dado que su extrografía se realizó en seis mezclas

distintas de solventes (n-heptano, tolueno, THF, metanol, agua, ácido acético) y presentan el menor

contenido de oxígeno; sus familias químicas son distintas entre sí, con comportamiento térmico

característico y grupos funcionales diferenciados que no son evidentes en análisis de espectroscopía

infrarroja.

Para discernir con mejor criterio el ambiente químico de cada una de las sub-fracciones del biocrudo

CHT-13, se realizó análisis 1H-RMN, en el cual el área de integración de los tipos de hidrógeno

alifático, olefínico, aromático, OH fenólico e hidrógeno unido a un carbono perteneciente a un

carbonilo (furánico, carbaldehído) se calcularon a partir de los espectrogramas corregidos en fase y

línea base, por medio de las siguientes fórmulas326:

0,50 4,50alifático ppm ppmH I (16)

24,60 6,20 0 5,00 6,2010 olefínico ppm ppm ppm ppmH I I (17)

26,30 9,30 0 6,30 9,0010 aromático ppm ppm ppm ppmH I I (18)

20 0,50 4,5010 fenólico ppm ppmOH I (19)

9,30 10,00 carbonilo ppm ppmH I (20)

Para las fórmulas (17), (18) y (19) el valor del parámetro α0 se obtiene por medio de la siguiente

fórmula:

0% * % *5 / 2

100*16*% 640*%H HO m O m

H H

(21)

Donde mH es la masa, en miligramos, de la muestra en solución para la adquisición del espectro 1H

RMN (los detalles del cálculo de α0 se muestran en el apéndice A.2. de esta tesis). El porcentaje de

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área para cada tipo de hidrógeno se calculó dividiendo el resultado de la fórmula correspondiente,

entre el total de área integrada en todo el espectro y multiplicando por 100 %.

Los espectrogramas se muestran en la figura 30 para AM 1, 2 y 3; la figura 31 para AM 4 y AM 5; la

figura 32 para AM 6 y AMP; la figura 33 para Asf 1, 3 y 4, la figura 34 para el pre-asfaltoide y los

resultados del cálculo de porcentajes de hidrógeno alifático, olefínico, aromático, OH fenólico e

hidrógeno unido a un carbonilo se muestran en las tablas 18 y 19. Otros porcentajes específicos

fueron calculados a partir de las correlaciones compiladas por Avella327, las cuales se muestran en la

tablas 20 y 21.

Figura 30. Espectros 1H-NMR de aceites maltoides 1,2 y 3.

ppm0.01.02.03.04.05.06.07.08.09.010.0

100000000

200000000

300000000

400000000

500000000

600000000

700000000

ppm0.01.02.03.04.05.06.07.08.09.010.0

100000000

200000000

300000000

400000000

500000000

600000000

ppm0.01.02.03.04.05.06.07.08.09.010.0

100000000

200000000

300000000

400000000

500000000

600000000

AM 1

AM 2

AM 3

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Estudio de la naturaleza química de biocrudos obtenidos mediante licuefacción hidrotérmica de biomasa lignocelulósica 65

Figura 31. Espectros 1H-NMR de aceites maltoides 4 y 5.

ppm0.01.02.03.04.05.06.07.08.09.010.0

100000000

200000000

300000000

400000000

500000000

600000000

ppm0.01.02.03.04.05.06.07.08.09.010.0

100000000

200000000

300000000

400000000

500000000

600000000

AM 4

AM 5

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Figura 32. Espectros 1H-NMR de aceite maltoide 6 y aceite maltoide pesado

ppm0.01.02.03.04.05.06.07.08.09.010.0

100000000

200000000

300000000

400000000

500000000

600000000

ppm (t1)

0.01.02.03.04.05.06.07.08.09.010.0

AM 6

AMP

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Estudio de la naturaleza química de biocrudos obtenidos mediante licuefacción hidrotérmica de biomasa lignocelulósica 67

Figura 33. Espectros 1H-NMR de asfaltoides 1, 3 y 4

ppm (t1)0.01.02.03.04.05.06.07.08.09.010.0

100000000

200000000

300000000

400000000

500000000

600000000

ppm (t1)0.01.02.03.04.05.06.07.08.09.010.0

500000000

1000000000

ppm (t1)0.01.02.03.04.05.06.07.08.09.010.0

100000000

200000000

300000000

400000000

500000000

Asf 1

Asf 3

Asf 4

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Figura 34. Espectro 1H-NMR de pre-asfaltoide

Cabe anotar que en una prueba 1H RMN realizada al aceite maltoide sin fraccionar se calculó un

valor para el tipo de hidrógeno en carbonilo en 0,05 %, de forma que la única fracción que lo aportó

es AM 6 puesto que presentó un valor cercano para dicho porcentaje de hidrógeno, mostrándose que

durante el proceso extrográfico se concentran estos compuestos en la elución con solución de

THF/10 % ácido acético.

Tabla 18. Porcentajes de área de tipos de hidrógenos para aceites maltoides

Tipo de hidrógeno AM1 AM 2 AM 3 AM 4 AM 5 AM 6 AMP

Alifático 83,80 86,30 87,99 79,56 86,38 86,49 75,62 Olefínico 0,10 0,64 1,70 3,46 1,88 0,79 1,74 Aromático 16,05 13,00 10,26 16,90 11,68 12,40 22,31 OH fenólico 0,06 0,05 0,04 0,07 0,05 0,05 0,09 H en carbonilo 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,07 0,00

El porcentaje de hidrógeno en olefinas incrementa progresivamente en la serie de aceites maltoides y

asfaltoides, tomando valor máximo en el pre-asfaltoide. Este resultado sugiere que la aparición de

olefinas en los productos de conversión puede presentarse por abstracción, lo cual se soporta en el

porcentaje de los tipos de hidrógeno olefínicos pertenecientes a cadena normal y a carbonos

internos, mostrado en la tabla 17, donde se aprecia mayor porcentaje de hidrógeno olefínico en

cadena normal.

El porcentaje de hidrógeno perteneciente a un grupo –OH fenólico en aceites maltoides, asfaltoides y

pre-asfaltoides es bajo entre los tipos de hidrógeno, y teniendo en cuenta que en cada grupo oxidrilo

existe solo un oxígeno por cada hidrógeno, este mismo porcentaje se aplica al contenido de fenoles,

dando cuenta de un proceso de desoxigenación de la biomasa durante su CHT hacia biocrudo

causado principalmente sobre los grupos –OH y enlaces éter (porcentajes promedio de 0,02 en aceites

ppm (t1)0.01.02.03.04.05.06.07.08.09.010.0

500000000

1000000000

Pre-Asf

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Estudio de la naturaleza química de biocrudos obtenidos mediante licuefacción hidrotérmica de biomasa lignocelulósica 69

maltoides, tablas 17 y 18) de la biomasa. Se observa presencia de hidrógeno del grupo carbaldehído

en los asfaltoides y aún más en el pre-asfaltoide, que presenta el mayor porcentaje de éste tipo de

hidrógeno (12,73 %), comparado con el –OH fenólico, mostrando que estas fracciones contienen

fragmentos de moléculas procedentes de la descomposición de los polisacáridos de la biomasa

discutidos en el capítulo 1. En los asfaltoides y pre-asfaltoide también es relevante el oxígeno en los

puentes éter de acuerdo con el porcentaje específico calculado para este tipo de hidrógeno listado en

la tabla 21.

Tabla 19. Porcentajes de área de tipos de hidrógenos para asfaltoides y pre-asfaltoide.

Tipo de hidrógeno Asf 1 Asf 2, 3 Asf 4 Pre-Asf

Alifático 84,66 77,76 74,39 62,22

Olefínico 1,09 1,74 3,81 7,47 Aromático 14,03 20,05 21,52 17,15 OH fenólico 0,05 0,08 0,09 0,07 H en carbonilo 0,16 0,16 0,16 12,73

El hidrógeno perteneciente a fragmentos nafténicos presenta el valor más bajo en AM 4 y el más alto

en AM 6 mientras que en las demás sub-fracciones está en el intervalo 3 - 4 %. Este resultado muestra

la existencia estructuras más flexibles en el maltoide 6 y más rígidas en el maltoide 4, dada la

posibilidad de distorsión de los planos conformados por los fragmentos nafténicos. A partir de los

resultados del porcentaje de hidrógeno perteneciente a ciclos aromáticos se observa que tanto aceites

maltoides como asfaltoides muestran la presencia de dichos ciclos. El total de porcentaje de

hidrógeno perteneciente a ciclos aromáticos (monociclos, di, tri, tetra y policiclos) es más alto en el

aceite maltoide 4 y pesado, así como en los asfaltoides 3 y 4, indicando la mayor organización

estructural en capas aromáticas de estos compuestos y que se correlaciona con los valores cercanos a la

unidad para las relaciones de absorbancia 1580/1440 calculada a partir de espectroscopía infrarroja.

Los valores de porcentaje para grupos -CH3 en posición alfa a aromático monocíclico y policíclico

permiten notar que la mayor proporción de estos se halla en los aceites maltoides 3 y 4 en los cuales

supera el 24 %. A partir de este resultado se infiere que una parte importante de las estructuras de

estos compuestos está conformada por sustituciones sobre anillos aromáticos. Esta visualización es

también factible en asfaltoides 3, 4 y preasfaltoides donde el este tipo de hidrógeno totaliza valores

sobre 19 % y es la causante de la amplia zona de temperatura en la que se detecta la masa m/z=15

durante la termogravimetría de los asfaltoides y el pre-asfaltoide.

Si se toma como referencia para el grado de ciclación de anillos aromáticos en las sub-fracciones de

biocrudo el porcentaje calculado en la última fila de las tablas 20 y 21, se observa similitud en el

aceite maltoide AM 1 y AMP, y dado que el AM 1 permanece en solución de n-heptano mientras que

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AMP precipita a 291 K, se puede asociar este resultado a un grado de ciclación de anillos aromáticos

en forma de planos más extensos en dos dimensiones para AMP que los que puedan presentarse en

AM 1 que son completamente solubles en n-heptano. Por lo tanto, la precipitación de AMP puede

haberse causado en parte por efecto del cambio en la tensión superficial del solvente328 al alcanzar 291

K permitiendo la autoasociación del AMP y aparición de su precipitado.

Tabla 20. Porcentajes específicos de área de integración para 1H-RMN de aceites maltoides

Tipo de hidrógeno AM 1 AM 2 AM 3 AM 4 AM 5 AM 6 AMP

CHn-C-O, C sp3 0,02 0,02 0,02 0,02 0,01 0,01 0,02 H en fragmento nafténico 4,40 4,70 3,70 2,91 6,16 4,51 4,33 CH3 en alfa a aromático monocíclico

1,86 2,88 9,92 10,58 4,22 4,89 3,37

CH3 en alfa a aromático policíclico

9,50 11,53 14,89 13,55 6,66 8,06 8,68

CH=, interno, olefina ramificada

0,00 0,06 0,09 0,39 0,13 0,07 0,08

CH=, olefina de cadena normal 0,09 0,26 0,79 0,92 0,63 0,34 0,30 CH en aromático monocíclico 3,64 3,20 4,92 10,35 6,06 6,60 8,88 CH en aromático dicíclico 4,88 3,37 1,78 2,20 1,90 2,40 4,36 CH en aromático tricíclico 2,34 2,16 1,07 1,57 0,90 0,64 2,52 CH en aromático tetracíclico 5,19 5,36 2,42 17,53 1,04 0,66 2,21 CH en aromático policíclico 11,46 9,15 5,23 6,50 5,58 5,79 12,44

Tabla 21. Porcentajes específicos de área de integración para 1H-RMN de asfaltoides y pre-

asfaltoide

Tipo de hidrógeno Asf 1 Asf 2, 3 Asf 4 Pre Asf

CHn-C-O, C sp3 0,02 0,02 0,02 0,01 H en fragmento nafténico 3,08 3,57 3,22 3,19 CH3 en alfa a aromático monocíclico 2,96 5,31 4,41 5,33 CH3 en alfa a aromático policíclico 10,58 13,90 13,16 14,20 CH=, interno, olefina ramificada 0,08 0,09 0,24 0,19 CH=, olefina de cadena normal 0,31 0,18 0,29 0,34 CH en aromático monocíclico 4,12 7,52 6,94 4,64 CH en aromático dicíclico 3,27 3,98 4,17 4,15 CH en aromático tricíclico 1,97 2,84 3,21 1,33 CH en aromático tetracíclico 4,67 5,72 7,19 7,03 CH en aromático policíclico 9,28 11,67 13,68 11,05

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4.4.6. Cromatografía de gases y líquida acoplada a espectrometría de masas. Para la prueba de cromatografía de gases acoplada a masas, el biocrudo CHT-13 se extrajo en acetona

con el objeto de retirar pre-asfaltoides que pueden ocasionar obstrucciones en la columna. El

cromatograma original y el corregido para integración se muestran en la figura 35.

Figura 35. Cromatograma del biocrudo des-asfaltado (gris, espectro superior) y cromatograma

corregido en línea base (negro, espectro inferior).

En la figura 35 se registran las señales de compuestos presentes en la muestra de biocrudo hasta un

tiempo de 23 min dado que después de este tiempo las señales tienen mala resolución. Durante este

tiempo se observaron 192 picos para los que se recuperaron sus espectros de masas, de los cuales se

infiere la presencia de al menos este mismo número de sustancias. El área del cromatograma ocupada

por estos 192 picos (compuestos) es 92,96% del área total del cromatograma. Los compuestos

mayoritarios se eluyeron de la columna en tres grupos principales que se detectaron entre 7,03 a 7,14

min, 8,60 a 8,77 min y 11,31 a 11,36 min. Los resultados se muestran en la tabla 22 y se sugieren

semejanzas con posibles estructuras que coinciden parcialmente con los espectros de masas adquiridos

para cada sustancia detectada. Los resultados no listados corresponden a las demás sustancias que no

alcanzan cada una a completar el 1% del área del cromatograma. Existe el precedente en

investigaciones de composición de alquitranes de pirólisis, que pueden presentarse al menos 2000

sustancias diferentes en los productos insolubles en agua329 (alquitranes o biocrudos), las cuales no

logran individualmente ser un 1% del bio- crudo.

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Tabla 22. Asignación a estructuras con semejanza a espectros de masas en el biocrudo CHT-13

des-asfaltado.

Sustancia No.

Tiempo de

retención % Área

Principales picos m/z masa (intensidad)

Semejanzas estructurales (en orden decreciente)

1 3,037 0,900% 72 (999), 58 (106), 542 (3)

2-metoxi-1-propeno; 2-butanona; n-butanal; 2-butenol; 1-fenil-2-dimetilaminopropanol, 3-Isopropoxi-2-metil-1-propeno;

7 3,265 1,179%

133 (999), 149 (651), 60 (488), 73 (482), 58 (412), 41 (390), 115 (325), 153 (281), 55 (277), 159 (254)

Ácido bencenoacético, 2-trimetil-metil ester

52 7,030 2,022%

43 (999), 60 (775), 73 (714), 55 (683), 83 (291), 42 (256), 61 (184), 256 (141), 87 (124), 97 (120)|

d l-arabinosa; ácido 9-oxononanoico; ácido tridecanoico.

53 7,097 2,511%

43 (999), 60 (755), 73 (739), 55 (511), 57 (457), 71 (352), 69 (303), 129 (297), 82 (250), 183 (192)

α-l-rhamnopiranosa; etil éster del ácido tetradecanoico; ácido hexil decanoico,

54 7,147 2,423% 149 (999), 41 (148), 150 (104), 104 (61), 56 (60), 76 (56), 65 (52), 223 (51), 205 (45), 57 (44)

Ácido 4 acetil benzoico,

78 8,602 1,341% 275 (999), 276 (201), 346 (35), 277 (32)

(sin semejanzas)

79 8,650 1,661%

209 (999), 94 (628), 81 (534), 83 (532), 96 (507), 54 (434), 167 (430), 89 (422), 103 (412), 225 (373)

4-[6-Metil-3-ciclohexenocarboxil] morfolina

80 8,777 2,083% 43 (999), 57 (994), 71 (633), 85 (509), 55 (256), 99 (156), 70 (148), 211 (124), 254 (67)

(sin semejanzas)

124 11,312 2,847% 371 (999), 293 (408), 91 (356), 372 (307), 119 (225), 387 (139), 103 (115), 178 (114), 294 (95)

Derivados del propilbenceno; derivados de (5α)- colestan-6-ona

125 11,363 1,706% 57 (999), 43 (972), 71 (614), 85 (415), 41 (370), 55 (286), 56 (188), 69 (149), 83 (123), 99 (119)

2-metil tridecano, 4-etil undecano.

De acuerdo con la tabla 22, en el biocrudo obtenido a partir de la CHT de pasto Pennisetum (Glaucum

x Purpureum) existen estructuras derivadas de la degradación de la celulosa y hemicelulosas330 (como la

d l-arabinosa y la α-l-rhamnopiranosa), estructuras con núcleos aromáticos derivados posiblemente de

la degradación de la lignina (ácido 4 acetil benzoico y derivados del propilbenceno)331, 332, 333, 334 y

fragmentos con estructura alifática ramificada (2-metil tridecano, 4-etil undecano) procedentes de la

descomposición de grasas en la biomasa335, 336. Cabe resaltar que, en el espectro de masas de la

sustancia 124, los picos 91 y 119 hacen parte de la descomposición del compuesto en radicales de

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Estudio de la naturaleza química de biocrudos obtenidos mediante licuefacción hidrotérmica de biomasa lignocelulósica 73

metilbenceno y propilbenceno, respectivamente. Para la sustancia 125, los picos de masa 57 y 71 y,

probablemente 99 son fragmentos de compuestos con estructura alifática de tipo butil, pentil y heptil,

respectivamente, que pueden provenir del rompimiento de grasas. Las masas 57 y 91 también se

detectaron en las experiencias de TGA-MS sobre el biocrudo sin fraccionar, lo cual corrobora la

discusión sobre la pirólisis de cadenas alifáticas y anillos aromáticos.

Para la prueba de cromatografía líquida acoplada a masas se utilizó una interface de ionización por

atomizado con la cual debió emplearse acetonitrilo para obtener un extracto de biocrudo CHT-13 y se

siguió el procedimiento establecido por Spiteller y Jovanovic para cromatografía líquida de alquitranes

acoplada a detección de masas337. El cromatograma se registró a 298 K durante 8 min y se lograron

diferenciar 4 picos en 1,17 min, 1,43 min, 1,78 min y 2,00 min, a partir del cual la selección de

cualquier punto sobre el cromatograma mostró el ruido típico de fondo del cromatógrafo. A pesar

que la separación no fue eficiente en las condiciones de operación del equipo, los espectros de masas

para los tiempos de retención mencionados muestran una amplia distribución en la población de

picos y masas moleculares presentándose un corrimiento hacia fragmentos de masas cada vez mayores

a tiempos de retención más grandes, indicando la presencia de sustancias con masa moleculares hasta

1400 uma. El algoritmo de predicción del software del equipo estima que las sustancias presentes en

los cuatro picos tienen masas moleculares promedio de 654 uma.

4.4.7. Caracterización de la presión de vapor de los aceites maltoides. Debido a que los aceites maltoides presentan el mayor contenido de materia volátil se les realizó una

prueba de presión de vapor, mostrada en la figura 36, para cualificar su volatilidad y extrapolar grupos

diferenciados de pesos moleculares. La curva de presión de vapor presenta inflexiones cerca de 310,

393 y 440 K mostrando la existencia de sustancias con diferentes puntos de ebullición338.

Al realizar un gráfico del logaritmo natural de presión de vapor (en kPa) en función del inverso de la

temperatura absoluta se observó que la curva de destilación o de presión de vapor evidencia grupos

internos dada la aparición de secciones con diferente pendiente. Este resultado se muestra en la figura

37 y en él se observan tres zonas donde las sustancias que componen el conjunto de aceites maltoides

presenta semejanzas en presión de vapor y se asocia su naturaleza química que confirma lo observado

en la extrografía. En la zona comprendida entre 0,0035 y 0,0032 están presentes sustancias de mayor

volatilidad, que pueden corresponder a los aceites maltoides AM 1, AM 2 y AM 3 que se infiere a

partir de los resultados de termogravimetría. En la zona entre 0,0032 y 0,0025 se ubican compuestos

de aceites maltoides menos volátiles correspondientes a AM 5 y AM 6, donde el peso molecular y

cantidad de ciclos aromáticos en la estructura de la molécula se incrementan, lo cual se mostró en los

resultados de 1H RMN. La zona entre 0,0025 y 0,0020 corresponde a los compuestos más pesados o

asociados, que pueden corresponder al maltoide AM 4 y AMP, de los cuales se encontró el mayor

contenido de heteroátomos y estructura aromática.

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Figura 36. Presión de vapor de aceites maltoides entre 283 y 453 K en estado fresco

Figura 37. Logaritmo natural de la presión de vapor en función del inverso de la temperatura (K) de

los aceites maltoides CHT-13.

Es importante resaltar el hecho que esta experiencia corrobora la inconveniencia de destilar los

biocrudos de CHT (discutida en el capítulo 3), ya que mientras se separa en fase vapor la sub-fracción

de aceites maltoides que mantiene su estructura y volatilidad, pueden degradarse térmicamente las

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

280 320 360 400 440 480

Pre

sion

de

Vap

or (b

ar)

Temperatura , K

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Estudio de la naturaleza química de biocrudos obtenidos mediante licuefacción hidrotérmica de biomasa lignocelulósica 75

fracciones que presentan repolimerización, como AM 4, AM 5, AM 6 y AMP. El fraccionamiento por

extrografía es el más adecuado en busca de la preservación de las especies químicas originales.

4.4.8. Microscopía electrónica de barrido de aceites maltoides pesados, asfaltoides y

pre-asfaltoides. Los resultados de microscopía electrónica de barrido para la superficie de partículas de aceites

maltoides pesados, asfaltoides y pre-asfaltoides se muestran en las figuras 38 y 39. Es importante

resaltar que el asfaltoide 1 fue la única fracción que presentó vaporización de compuestos durante la

generación del vacío en el microscopio, dando lugar a la observación difusa de la fotografía de su

superficie, que se aprecia homogénea, a diferencia de Asf 2, Asf 3 y Asf 4, que muestran una

estructura sólida, amorfa, organizada en placas y conglomerados con poros de abertura cercana a 12

micrómetros. La superficie de AMP se observan secciones lisas con algunas fracturas, con lo cual se

soporta la visualización sugerida para este material de planos extensos que pueden superponerse en el

compuesto sólido final. La fotografía SEM para el pre-asfaltoide muestra una estructura globular, a

diferencia de los asfaltoides, los cuales solamente mostraron capas organizadas con inclusión de

gránulos. Este material con elevada complejidad estructural muestra que su generación a partir de

productos de conversión hidrotérmica requirió un elevado entrecruzamiento.

Figura 38. Fotografías SEM de aceite maltoide pesado, asfaltoide 1 y asfaltoide 2

Figura 39. Fotografías SEM de asfaltoide 3, asfaltoide 4 y preasfaltoide

Las relaciones atómicas de elementos detectados por medios de la sonda EDAX se muestran en la

tabla 23, observándose el mayor contenido de aluminio, silicio, cloro y potasio en las fracciones de

AMP Asf 1 Asf 2

Asf 3 Asf 4 Pre-Asf

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asfaltoides, especialmente en Asf 4, el cual presenta más contenido de potasio por átomo de carbono.

La alta relación atómica K:C del pre-asfaltoide sugiere la posibilidad de encapsulamiento del

catalizador en esta fracción del biocrudo y de ahí el alto valor de relación atómica O:C resultante, el

cual fue calculado con anterioridad en el análisis elemental en 0,10.

Tabla 23. Relaciones atómicas O:C, Al:C, Si:C, Cl:C y K:C para AMP, Asf 1, Asf 2, Asf 3, Asf

4 y Pre-Asf.

Relaciones atómicas AMP Asf 1 Asf 2 Asf 3 Asf 4 Pre-Asf

O:C 0,23 0,15 0,29 0,23 0,29 0,72

Al:C 0,02 0,00 0,02 0,01 0,01 0,00

Si:C 0,05 0,00 0,04 0,03 0,04 0,03

Cl:C 0,00 0,00 0,01 0,01 0,02 0,04

K:C 0,19 0,00 0,17 0,05 0,30 0,54

El asfaltoide 1 no presenta contenido de los metales detectados a las demás muestras, indicando que

el aumento de la masa molecular a partir del asfaltoide 2 y hasta el preasfaltoide está asociado con el

contenido mineral residual en estas fracciones y que son agentes catalizadores de la repolimerización.

4.5. CONCLUSIONES

Se logró separar por solubilidad el biocrudo CHT-13 en tres fracciones: aceites maltoides (AM)

solubles en n-heptano a 333 K, asfaltoides (Asf) solubles en tolueno a 333 K y pre-asfaltoides (Pre-Asf,

insolubles en tolueno y completamente solubles en 2-butanona y THF). Cuando la solución de

productos solubles en n-heptano se enfría hasta 291 K se separa espontáneamente una sub-fracción de

aceites maltoides pesados (AMP). En los asfaltoides no existe esta separación por enfriamiento del

solvente. Por lo anterior, el proceso de separación por exclusión con solventes selectivos (ESS)

permite obtener cuatro (4) fracciones de biocrudo con empleo de únicamente dos solventes y manejo

de temperatura siendo un método preparativo de muestras eficiente, altamente reproducible y de baja

nocividad.

Las técnicas de separación existentes para el análisis de alquitranes y de petróleo no son aplicables de

forma satisfactoria a la separación y estudio de la naturaleza química de los biocrudos por lo cual

hubo necesidad de modificar estos procedimientos desarrollando un método extrográfico para los

aceites maltoides y de precipitación fraccionada para los asfaltoides. Para los aceites maltoides, se

emplearon como efluentes principales n-heptano, tolueno y THF lográndose la separación en 6

familias de compuestos (Aceites maltoides AM 1-6), de acuerdo con la afinidad por las soluciones de

solventes.

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Estudio de la naturaleza química de biocrudos obtenidos mediante licuefacción hidrotérmica de biomasa lignocelulósica 77

Se encontró que la alúmina empleada (básica) es confiable en el desarrollo de la técnica de extrografía

de aceites maltoides, reteniendo únicamente alrededor del 2 % de las sustancias presentes. Estos

materiales retenidos no se recuperan con soluciones de acetonitrilo, acetona y piridina, con lo cual se

descartan estructuras con alto contenido de nitrógeno y se gana tiempo en la práctica de la técnica

extrográfica definitiva con un menor riesgo para la salud, dado que se eliminan del procedimiento

los solventes nocivos que sugiere el método SESC tradicional.

El tamaño de columna apropiado para separar por extrografía los aceites maltoides es de 5 ml de

alúmina activada y 30 cm de altura, cuando se utilizan 0,5 g de biocrudo bruto como material inicial

de análisis. Este volumen de empaque retiene completamente los compuestos de la fracción de

biocrudo soluble en n-heptano a 291 K, recuperando el solvente libre de compuestos, el cual puede

reutilizarse directamente. El método de precipitación fraccionada, con pentano como agente

precipitante, efectuado sobre los asfaltoides solubles en tolueno logra dividir los asfaltoides en cuatro

grupos (Asf 1-4), siendo los 3 primeros precipitados, sólidos a temperatura ambiente (Asf 4-2) y el

asfaltoide remanente semisólido (Asf 1).

En los aceites maltoides existen 3 fracciones mayoritarias AM 1, AM 3 y AM 4. Sus relaciones

atómicas H:C superiores a 1 les confiere potencial como uso combustible y son los materiales con

características químicas más cercanas a los hidrocarburos. Los aceites maltoides 1 a 3 son los más

volátiles y su notorio contenido de hidrógeno alifático y aromático, junto con su bajo contenido de

oxígeno permite conferirles mayor estabilidad térmica. Los maltoides AM 4, AM 5 y AM 6 son los

que presentan la mayor probabilidad de repolimerización debido a su mayor contenido de

heteroátomos. Los aceites maltoides son los compuestos de menor masa molecular y pueden

presentarse desde 200-300 uma aproximadamente. Es importante resaltar que el elevado contenido de

heteroátomos y olefinas, en el caso de AM 4 y de contenido de carbonilos en AM 6 posiciona el

proceso extrográfico como altamente selectivo a las familias de aceites maltoides.

Los asfaltoides son materiales de naturaleza química homogénea con entrecruzamientos y grupos

carbonilo que comparten con los pre-asfaltoides un importante porcentaje de hidrógeno en

estructuras nafténicas. Se destaca la solubilidad del asfaltoide 1 en tolueno:pentano 10:90 (v/v),

dándole potencial de ser incluido en combustibles de afinidad aromática.

Los pre-asfaltoides son los materiales con mayor organización estructural, con morfología globular y

presencia de cadenas alifáticas y ciclos aromáticos en proporciones cercanas a la equimolaridad de

acuerdo con la relación de absorbancia 1580 cm-1/1440 cm-1, y los resultados de TGA-MS.

Aparentemente son la familia química del biocrudo CHT-13 que contiene el mayor porcentaje de

hidrógeno en carbonilo.