Catálisis de la hidrogenación del ácido levulínico a γ-valerolactona con nanopartículas de oro soportadas en sílice mesoporosa

Abstract

Actualmente, obtener productos de interés industrial a partir de fuentes renovables ha adquirido relevancia, debido al impacto ambiental que generan los métodos de obtención tradicional y al inminente agotamiento de las fuentes fósiles. Esto ha dado paso al surgimiento de diversos procesos de valorización, con los cuales se obtienen productos de alto valor agregado a partir de biomasa. Sin embargo, una de las principales limitantes en dicha valorización es la obtención de productos con aplicación directa en la industria, debido a que la transformación de biomasa por hidrólisis, procesos termoquímicos, fermentación, entre otros métodos, da como resultado la obtención de compuestos conocidos como moléculas plataforma, que si bien son un paso adelante en el proceso de valorización, requieren un proceso de transformación adicional que permita la obtención de productos con aplicación directa. Tal es el caso del ácido levulínico, como molécula plataforma obtenida a partir de biomasa lignocelulósica, que puede valorizarse hacia γ-valerolactona, un compuesto de interés para la industria de alimentos y de biocombustibles.

Por medio de esta tesis de maestría se evaluó la obtención de γ-valerolactona a partir de ácido levulínico, por medio de una reacción de hidrogenación utilizando un catalizador heterogéneo de nanopartículas de oro soportadas en sílice mesoporosa. Para esto se realizó la síntesis de la sílice mesoporosa con el método sol-gel, luego se depositaron las nanopartículas de oro (1-5% Au) empleando el método deposición-precipitación, y los catalizadores obtenidos se caracterizaron por medio de FTIR, XRD y espectroscopia Raman. Con este método, se obtuvieron efectivamente catalizadores con nanopartículas de oro (8-21 nm) cristalinas, soportadas en sílice mesoporosa, posteriormente empleados para la hidrogenación del ácido levulínico. Esta reacción se desarrolló utilizando un diseño experimental factorial multinivel en donde se evaluaron tres factores: % Au en el catalizador (0-5%), temperatura (93-177 °C) y tiempo de reacción (1-6 h), con una alimentación constante de H2, y dos variables de respuesta: conversión del ácido levulínico y selectividad de la reacción hacia γ-valerolactona. Los productos de la reacción se cuantificaron por HPLC. Como resultado se obtuvo una conversión total (100%) del ácido levulínico en temperaturas entre 135 °C y 177 °C y tiempos entre 2 h y 5 h, y una selectividad hacia γ-valerolactona del 99.49% empleando como condiciones de reacción: catalizador 5% Au, 135 °C y 3.5 h. (Texto tomado de la fuente)

Currently, obtaining products of interest for industry from renewable sources has gained relevance due to the environmental impact generated by traditional production methods and the imminent depletion of fossil fuels. This has given way to the emergence of various valorization processes, with which high value-added products are obtained from biomass. However, one of the main limitations of such valorization is obtaining products with direct application in industry, because the transformation of biomass by hydrolysis, thermochemical processes, fermentation, among other methods, results in obtaining compounds known as platform molecules, which, although they are a step forward in the valorization process, require an additional transformation process that allows obtaining products with direct application. Such is the case of levulinic acid, a platform molecule obtained from lignocellulosic biomass, which can be valorized to γ-valerolactone, a compound of interest in the food and biofuel industry.

By means of this master thesis, the obtaining of γ-valerolactone from levulinic acid was evaluated by a hydrogenation reaction using a heterogeneous catalyst of gold nanoparticles supported on mesoporous silica. For catalyst, the synthesis of the mesoporous silica was carried out with sol-gel method, then gold nanoparticles (1-5% Au) were deposited using deposition-precipitation method, and the catalysts obtained were dcharacterized by FTIR, XRD and Raman spectroscopy. With this method, catalysts with crystalline gold nanoparticles (8-21 nm), supported on mesoporous silica, were effectively obtained and subsequently used for the hydrogenation of levulinic acid. Hydrogenation reaction was developed using a multilevel factorial experimental design where three factors were evaluated: % Au in the catalyst (0-5%), temperature (93-177 °C) and reaction time (1-6 h), with a constant H2 feed, and two response variables: levulinic acid conversion and selectivity of the reaction to γ-valerolactone. Reaction products were quantified by HPLC. As result, a total conversion (100%) of levulinic acid was obtained at temperatures between 135 °C and 177 °C and times between 2 h and 5 h, and selectivity to γ-valerolactone of 99.49% using as reaction conditions: 5% Au catalyst, 135 °C and 3.5 h. (Text taken of the source)