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TECNOCIENCIA CHIHUAHUA, Vol. XVII (2) e 1200 (2023)
https://vocero.uach.mx/index.php/tecnociencia
ISSN-e: 2683-3360
Artículo de Divulgación
Valorización de la biomasa por medio de catálisis
homogénea
Biomass valorization by homogeneous catalysis
*Correspondencia: juvent@unam.mx (Juventino J. García)
DOI: https://doi.org/10.54167/tch.v17i2.1200
Recibido:: 19 de abril de 2023; Aceptado: 30 de agosto de 2023
Publicado por la Universidad Autónoma de Chihuahua, a través de la Dirección de Investigación y Posgrado
Resumen
Genéricamente podemos considerar a la biomasa como todo aquel material proveniente del
crecimiento de microorganismos, plantas o animales, dicho material representa una fuente de
residuos y en consecuencia de diversas moléculas de interés, las cuales pueden ser transformadas a
otros productos de valor añadido y potencialmente útiles. Uno de los propósitos para su
aprovechamiento sería el uso preferente de biomasa de desecho o en desuso, con lo cual se logra la
disminución de residuos y el costo de las materias primas. De la hidrólisis de la biomasa se puede
llegar a diversas moléculas o bloques de construcción entre los que se destacan, pero no se limitan
al furfural y sus derivados, hasta llegar al ácido levulínico (AL). El AL es considerado como una
plataforma química a partir de la cual se pueden realizar diversas transformaciones químicas y con
ello preparar una gran variedad de productos útiles a nivel industrial y en la academia. Para lo
anterior, el uso de metodologías catalíticas es otro aspecto deseable, ya que con ello se logra la
disminución de subproductos, tiempos de reacción y consumo de energía. En este trabajo se resalta
el uso de metales abundantes en la naturaleza para efectuar dichas transformaciones catalíticas.
Palabras clave: biomasa, catálisis, homogénea, sustentable, metales, ácido levulínico.
Abstract
Biomass can be considered any material from microorganisms, plants, or animals growing; such
material represents a source of a variety of molecules of interest that can be transformed into new
value-added useful products. A target for this is the use of waste or final-use biomass, aiming to
reduce the production of residues and lower the cost of raw materials. Several molecules and
building blocks of interest can be derived from biomass hydrolysis, including furfural and closely
Diego Roa1, Alma Arévalo1 y Juventino J. García1*
1 Facultad de Química. Universidad Nacional Autónoma de México. Circuito interior, Ciudad Universitaria.
CDMX, 04510. México.
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related derivatives to yield Levulinic Acid (LA). LA is considered a chemical platform from which it
is possible to prepare a variety of valuable products for industry and academia. To achieve that,
using catalytic methodologies is a desirable aspect to achieve fewer byproducts, shorter reaction
times, and low energy consumption. This work focuses on using earth-abundant metals to make
these catalytic transformations.
Keywords: biomass, catalysis, homogeneous, sustainable, metals, levulinic acid.
1. Introducción
Históricamente la biomasa ha sido una fuente de alimentación y energía, así como una fuente
de medicamentos, fragancias y condimentos. No obstante, fue hasta la segunda mitad del siglo XIX
que inició la conversión industrial de la biomasa a productos químicos y materiales útiles, con la
producción de ésteres de celulosa y de linóleum. Desde inicios del siglo XXI ha ido en aumento el
número de productos obtenidos a partir de la biomasa a saber, diversos sabores y fragancias son
producidos por la conversión catalítica de terpenos; así como surfactantes y lubricantes fabricados
por la industria de aceites vegetales y un gran número de materias primas son obtenidas por la
conversión de carbohidratos procedentes de diferentes cultivos. Sin embargo, los productos
derivados de la biomasa sufrieron una fuerte competencia económica por los productos menos
costosos obtenidos a partir de hidrocarburos por medio de rutas convencionales las cuales han sido
constantemente optimizadas en los últimos cien años (Gallezot, 2012; Ravelli y Samori, 2021).
La sociedad utiliza en la actualidad mucha energía y productos de consumo provenientes de la
industria química, desde combustibles hasta productos farmacéuticos. Los combustibles fósiles eran
usados ocasionalmente hasta la revolución industrial, pero en tiempos recientes el mantenimiento
de altos niveles de producción y consumo al menor costo ha implicado una fuerte dependencia de
dichos combustibles a nivel global (Gallezot, 2012).
Hoy en día se busca reducir las emisiones de CO2 de acuerdo con el protocolo de Kyoto aunado a la
disminución de las reservas de combustibles fósiles, lo cual ha dirigido la atención de la comunidad
científica a la búsqueda de soluciones innovadoras para el abatimiento de los niveles de CO2 y para
el reemplazo de las fuentes fósiles por fuentes renovables y sustentables. En este contexto la biomasa
ha ganado interés como una fuente de diversas materias primas o plataformas químicas de
compuestos basados en carbono (Kamm et al., 2006).
Tanto en la arena académica como en la industrial, se han investigado metodologías para utilizar la
biomasa como materia prima en la preparación de compuestos orgánicos debido a su disponibilidad,
alta regeneración y facilidad de distribución (Mika et al., 2018). El uso de la biomasa es uno de los
temas clave en el desarrollo sustentable debido a que las fuentes biológicas son renovables y neutras
en términos del CO2 producido-reutilizado (huella de CO2 virtualmente nula), en marcado contraste
con los combustibles fósiles generadores de CO2 (Arakawa et al., 2001). Las moléculas obtenidas de la
biomasa contienen en su estructura grupos funcionales que potencialmente requerirían un menor
número de etapas en la síntesis de compuestos químicos comparado con los hidrocarburos.
Adicionalmente, los productos de la biomasa podrían tener propiedades más atractivas comparadas
con los productos derivados de los hidrocarburos, por ejemplo, la biodegradabilidad y la
biocompatibilidad, por lo que en algunos países como los Estados Unidos existen programas
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gubernamentales del Departamento de Energía para la implementación del uso de biomasa. En
Europa la organización SUSCHEM promueve el incremento del uso de materias primas renovables
para la producción de derivados químicos y de energía (Gallezot, 2007).
Considerando los principios básicos de los procesos sustentables la biomasa haría posible lograr
ciertos objetivos como son: disminución de la contaminación, disminución del uso o fabricación de
productos químicos peligrosos, reducción de materiales de desecho por tecnologías de conversión
más eficientes y el uso de biomasa como una fuente de energía renovable, bajo el concepto de
“biorrefinería” como la integración de diversos procesos de conversión para la generación de
combustibles y la obtención de productos químicos de valor agregado, empleando preferentemente
todos los átomos de carbono provenientes de las materias primas (economía atómica) (Corma et al.,
2007).
Una tendencia encontrada en los sistemas catalíticos para la hidrogenación de derivados de la
biomasa ha sido el uso metales nobles (Mika y Horváth, 2021). Los cuales, debido a su poca
abundancia y altos costos, limitan sus aplicaciones y la sustentabilidad de la biorrefinería.
Considerando lo anterior, una alternativa al uso de catalizadores de metales nobles es emplear
catalizadores basados principalmente en metales de la primera serie de transición (por ejemplo, Fe,
Ti ó Mn), lo cual ha ganado mucha atención para su uso en la valorización de derivados de la biomasa
y se ha convertido en un tema de interés en los últimos años (Dutta et al., 2019).
2. Biomasa y el concepto de Biorrefinería
La Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) define a la biomasa como
“Material producido por el crecimiento de microorganismos, plantas o animales” (IUPAC, 1997). Hoy
en día el interés se centra preferentemente en el material de desecho de dicha biomasa, el cual no
tiene un uso directo como alimento, intermediario químico o fibras procedentes de ésta. Los desechos
antes mencionados pueden provenir de la industria agropecuaria, sargazo y/o biosólidos de
desechos urbanos entre muchos otros.
Actualmente la atención académica mundial está enfocada en que a mediano o largo plazo la
obtención de energía o de materias primas sea satisfecha con productos provenientes de recursos
renovables y que dichas substancias sean transformadas en nuevos productos útiles. Se busca que
las materias primas no sean tóxicas (como las provenientes de la biomasa) y que los productos
obtenidos resulten ser biodegradables. Se pretende que la emisión de gases de efecto invernadero,
se compense por completo con el consumo de CO2 como materia prima, logrando una huella de
carbono virtualmente neutra, contrario al uso de fuentes fósiles los cuales aumentan la producción
de CO2.
Considerando las premisas anteriores se establecen los principios de una biorrefinería, la cual la
define la Agencia Internacional de Energía -Bioenergía (IEA Bioenergy) como “un proceso sostenible
para la transformación de la biomasa en una gama de productos de base biológica como los
alimentos, piensos, productos químicos, materiales y bio-energía a saber biocombustibles,
generación de energía y/o calor" (De Jong et al., 2020). De manera análoga a una refinería tradicional
que emplea fuentes fósiles, se requiere el uso de catalizadores para llevar a cabo las transformaciones
químicas de la materia prima de manera selectiva y temperaturas de reacción más bajas, para que el
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proceso sea sustentable ambiental y energéticamente. En la Fig. 1, se muestra un modelo conceptual
simplificado de una biorrefinería, basado en la económica circular (Stegmann et al., 2020).
Figura 1. Modelo conceptual simplificado de una biorrefinería
Figure 1. Simplified conceptual model of a biorefinery
De forma general se pueden agrupar tres clases de materias primas derivadas de la biomasa
apropiadas para la producción de combustibles renovables: materias primas amiláceas (incluidos los
azúcares), triglicéridos y materiales lignocelulósicos. En la Fig. 2 se muestran los diversos
biocombustibles que se pueden obtener con cada una de las materias primas antes mencionadas
(Alonso et al., 2010). Las amiláceas están compuestas por polisacáridos de glucosa unidos por enlaces
glucosídicos α, como la amilasa y la amilopectina, sustancias que se hidrolizan fácilmente a los
monómeros de azúcar correspondientes lo que facilita su procesamiento, como ocurre en las
instalaciones de bioetanol de primera generación.
Los triglicéridos están compuestos de ácidos grasos y glicerol derivados tanto de fuentes vegetales
como animales. Las fuentes de triglicéridos para la producción de biodiesel incluyen varios aceites
vegetales, productos derivados del aceite de desecho (p. ej., grasa amarilla) y algas. La lignocelulosa
es la clase de biomasa más abundante. Mientras que el almidón y los triglicéridos solo están presentes
en algunos cultivos, la lignocelulosa contribuye a la integridad estructural de las plantas y, por lo
tanto, resulta omnipresente. La mayoría de los cultivos energéticos y la biomasa residual
considerada para la producción de energía son materias primas lignocelulósicas, entre los que se
incluyen desechos de pastos y trigo, residuos agrícolas, desechos municipales y residuos del
procesamiento de la madera. La lignocelulosa se compone de tres fracciones diferentes: lignina,
hemicelulosa y celulosa (Huber y Corma, 2007).
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Figura 2. Materias primas derivadas de la biomasa y plataformas para la conversión a biocombustibles.
Figure 2. Biomass-derived feedstocks and platforms for conversion to biofuels.
3. El ácido levulínico como plataforma química
De la ruptura de los tres componentes principales de la lignocelulosa (celulosa, hemicelulosa
y lignina; Fig. 2) por vía de la hidrólisis se obtienen moléculas pequeñas, conocidas como bloques de
construcción o plataformas químicas iniciales conocidas como IPC’s por sus siglas en inglés. Aunado
a lo anterior, el departamento de energía de los Estados Unidos, realizó un estudio y proyección
económica de cada una de ellas, para establecer su uso potencial en la elaboración de materias primas
o productos ya en uso, o nuevos productos de interés, pero de fuerte demanda entre los
consumidores. Se determinaron 12 plataformas químicas selectas la de mayor proyección, es el ácido
levulínico (AL), que es además el producto principal en la hidrólisis de la hemicelulosa, Fig. 3 (Werpy
y Peterson, 2004; Alonso et al., 2013).
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Figura 3. Obtención del ácido levulínico (AL) a partir de la lignocelulosa.
Figure 3. Obtaining levulinic acid (LA) from lignocellulose.
El AL es una de las moléculas derivadas de la biomasa más importantes porque tiene dos grupos
funcionales reactivos y está disponible comercialmente a bajo costo como residuo de celulosa
(Clement, et al., 2014). Entre los productos derivados de su hidrogenación se encuentran el ácido
hidrovalerico (AH) usado en la industria de pinturas, el 1-4 pentanediol (1,4-PDO) usado como
monómero para la elaboración de polímeros y en la química fina (es decir en la síntesis de alto valor
añadido), la γ-valerolactona (GVL) y el 2-metiltetrahidrofurano (MTHF) estos dos últimos usados
como aditivos para combustibles y disolventes, ver Fig. 4 (Kumaravel et al., 2019).
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Figura 4. Diversos productos derivados del ácido levulínico.
Figure 4. Various products derived from levulinic acid.
4. En camino a procesos catalíticos sustentables
Hoy en día la mayoría de los sistemas catalíticos para la conversión de AL en materiales de
valor agregado están basados en metales nobles, especialmente en la hidrogenación del AL a GVL o
2-MTHF (Mika y Horváth, 2021). Sin embargo, debido a la baja abundancia de metales nobles en la
naturaleza, el uso de estos metales conduce directamente a un aumento en los costos de la
biorrefinería y una menor sustentabilidad. Por ello, buscando alternativas al uso de catalizadores de
metales nobles, surge el interés del empleo de metales no nobles en dichos sistemas catalíticos,
basados principalmente en metales de la primera serie de transición (abundantes), los cuales han
atraído mucha atención para ser usados en la valorización de AL, proceso que se ha convertido en
un tema de interés y actualidad (Dutta et al., 2019; Liu et al., 2019; Jurado‐Vázquez et al., 2021).
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Para ejemplificar lo anterior cabe mencionar un ejemplo reciente en el área de catálisis homogénea
con metales abundantes como el manganeso (Mn). El uso de compuestos organometálicos de Mn
desencadenó un gran interés en la última década y aún lo continúa haciendo (Valyaev et al., 2016;
Sortais, 2021). Quizás desde el descubrimiento de los primeros sistemas catalíticos eficientes de
(des)hidrogenación empleando Mn por Beller y Milstein a principios del 2016 esta área evolucionó
explosivamente para convertirse en un objeto de estudio muy competido en el campo de la catálisis
(Elangovan et al., 2016; Mukherjee et al., 2016).
Considerando los informes iniciales con manganeso la bibliografía reciente pone en evidencia que
las arquitecturas de los complejos originales conteniendo ligantes tridentados (o pinzas, Fig. 5) no
son requisitos necesarios para obtener catalizadores de hidrogenación eficientes, ya que los
complejos que contienen ligantes bidentados, menos elaborados pueden ser competitivos o incluso
superiores en términos de actividad catalítica y/o ámbito de aplicación (Garduno y García, 2018).
Figura 5. Ejemplos de compuestos de manganeso con ligantes polidentados usados en reducción catalítica.
Figure 5. Examples of manganese compounds with polydentate ligands used in catalytic reduction.
Hoy en día se han documentado varios casos exitosos de sistemas catalíticos de Mn(I) que contienen
solo ligantes donadores auxiliares simples o incluso se basan únicamente en precursores del
carbonilo metálico, lo que indica la existencia de mecanismos de reacción no convencionales que sin
duda surgen de la especificidad de la química de complejos organometálicos de manganeso
(Gulyaeva et al., 2022).
Nuestro grupo de trabajo ha hecho algunas contribuciones recientes en el campo antes descrito, entre
los cuales se puede mencionar de forma particular las reacciones de reducción y ciclación del ácido
levulínico para la formación de 2-metiltetrahidrotiofeno, catalizada por complejos comercialmente
disponibles de Mn y fuentes de hidrógeno de bajo costo provenientes de los desechos de la
fabricación de siliconas, como es el caso del tetrametildisiloxano (TMDS) el cual se ilustra en la Fig.
6 (Roa y García, 2021).
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Figura 6. Ejemplo de reducción y ciclación con manganeso.
Figure 6. Example of reduction and cyclization with manganese.
Conclusiones y perspectivas
El uso de materiales provenientes de la biomasa, particularmente de los desperdicios o
productos de desecho, en conjunto con procesos catalizados por metales abundantes ofrece la
posibilidad de disminuir la contaminación por residuos y el poder producir artículos de valor
agregado de interés para la sociedad de manera sostenible. Muchos de esos procesos están en vías
de optimización para su uso en el futuro cercano, idealmente en la sustitución gradual de los
combustibles y materiales fósiles.
Agradecimientos
Se agradece ampliamente al CONACYT y DGAPA-UNAM el apoyo recibido para la
realización de las investigaciones relacionadas con esta temática.
Conflicto de interés
Los autores no tienen conflicto de interés que declarar.
Referencias
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Notas sobre las figuras.
Se informa lo siguiente para los efectos que proceda con los derechos de autor:
Figura 1. Creación propia
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Figura 2. Adaptada de: Alonso, D. M., Bond, J. Q. & Dumesic, J. (2010). Catalytic conversion of
biomass to biofuels. A. Green chem. 12(9): 1493-1513. https://doi.org/10.1039/C004654J
Figura 3. Adaptada de: Alonso, D. M., Wettstein, S. G. & Dumesic, J. A. (2013). Gamma-
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Figura 4. Adaptada de: Kumaravel, S., Thiripuranthagan, S., Radhakrishnan, R., Erusappan, E.,
Durai, M., Devarajan, A. & Mukannan, A. J. (2019). Liquid Phase Esterification of Levulinic
Acid into Ethyl Levulinate Over Sulphobenzylated Nanoporous Al-SBA-15 Catalyst.
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Figura 5. Creación propia
Figura 6. Creación propia
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https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/