Proceso para la producción de biodiesel, caracterizado porque usa catálisis heterogénea para la transesterificación de triglicéridos mediante catalizadores a base de titanatos laminares en forma nanoestructurada

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un proceso para la producción de biodiesel mediante la transesterificación de triglicéridos usando catalizadores heterogéneos a base de titanatos laminares. Más específicamente, la presente invención se refiere a un proceso para la producción de biodiesel mediante la transesterificación de triglicéridos usando catalizadores de titanatos laminares protonados, obtenidos en forma nanoestructurada.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

El mecanismo de la síntesis convencional de biodiesel por medio de la transesterificación de triglicéridos, por ejemplo a partir de aceites vegetales, promovida por catalizadores líquidos en un medio alcohólico alcalino (catálisis homogénea), se conoce relativamente bien.

En la catálisis heterogénea, los estudios de la síntesis de biodiesel promovida por catalizadores sólidos han revelado mecanismos que son más complejos y se entienden peor.

Uno de los descubrimientos que ilustran este hecho es que, hasta la fecha, no se ha descubierto ninguna propiedad específica de un catalizador sólido, tal como su carácter ácido o básico, que muestre una correlación más directa con el rendimiento de dichos catalizadores en las reacciones de síntesis de biodiesel, y en vista de esto, se han mencionado, con este fin, muchos catalizadores sólidos que son posibles candidatos, aunque sin consideración adicional respecto a su estructura cristalina y morfológica, con el objetivo de aumentar su eficacia catalítica, para su uso en la síntesis de biodiesel, como es el caso con la presente invención.

TECNOLOGÍA RELACIONADA

La transesterificación de aceites vegetales para la producción de ésteres de ácidos grasos es un proceso antiguo con una amplia aplicación industrial.

Durante las décadas de 1980 y 1990, este proceso se adaptó para producir combustible que fuera una alternativa al diesel (BioDiesel) y actualmente los requisitos básicos de dichos procesos son gran pureza y rendimiento. Los mejores resultados solamente se han conseguido con catalizadores homogéneos iónicos o no iónicos, cuyas desventajas son el alto coste de fabricación y la dificultad para separar los catalizadores de los productos de reacción obtenidos y para reutilizar la carga catalítica.

Durante muchos años, investigadores en todo el mundo han estado buscando una alternativa a los catalizadores sólidos (catálisis heterogénea) capaz de realizar reacciones de transesterificación con la pureza deseada para la producción de biodiesel, pero hasta ahora sin un éxito significativo, de ahí que el único caso que puede mencionarse en un proceso industrial es ESTERFIP-H [Robert Stern, Gerard Hillion, Jean-Jaques Rouxel, Serge Leproq - Process for production of esters from vegetable oils or animal oils alcohols - US 5 908 946 del 1 de junio de 1999 Institut Français du Pétrole (IFP)] que fue comercializado por Axens, cuya primera planta de procesamiento comenzó la producción a finales de 2005, pero los resultados obtenidos no han sido impresionantes. Dicho proceso prevé un aluminado de zinc como catalizador y temperaturas en el intervalo de 175-225ºC, con presiones que pueden alcanzar los 60 kgf/cm2, y está justificado económicamente por la mayor valorización del glicerol obtenido con mayor pureza que el glicerol resultante de la producción de biodiesel mediante catálisis homogénea.

Los compuestos orgánicos a base de titanio son catalizadores comerciales conocidos para reacciones de transesterificación y, por lo tanto, catalizadores inorgánicos sólidos a base de titanio podrían ser potenciales candidatos para la síntesis de biodiesel, incluso aunque un estudio publicado recientemente demostraba que el dióxido de titanio (rutilo) no era muy eficaz para la transesterificación (Tesis de Alan Khan presentada al Departamento de Ingeniería Química - Universidad de Queensland - Brisbane, Queensland, Australia, el 18 de octubre de 2002). Por otro lado, los titanatos laminares con cationes de compensación entre las láminas nunca han sido ensayados para esta aplicación. Los titanatos laminares de metales alcalinos y sus derivados pueden sintetizarse en forma nanoestructurada (por ejemplo nanotubos, nanofibras o nanobandas), ofreciendo ventajas respecto a los materiales en masa correspondientes, aumentando su rendimiento potencial en diversas aplicaciones, en particular en el área de la catálisis, teniendo en cuenta su mayor superficie específica; sin embargo, la tecnología de estructurización de óxido inorgánicos en dichas nanoestructuras es reciente y sigue estando en desarrollo.

En el campo de la producción de ésteres alquílicos con titanatos o catalizadores nanoestructurados, pueden mencionarse adicionalmente dos documentos de patente:

- El documento US2007/0282119 (Penn State Research Foundation) describe un proceso para la producción de biodiesel con un catalizador heterogéneo de base, en forma de partícula o de polvo, que puede ser un titanato

- El documento US2007/0260077 (TDA Research Inc.) describe un proceso para la producción de ésteres alquílicos a partir de una fuente de glicéridos con catalizadores poliméricos nanoestructurados.

Después de una búsqueda bibliográfica, se identificó un método de síntesis hidrotérmica de nanotubos de titanio (KASUGA, T., et al., Langmuir 14 (1998) 3160; JP 10152323 / EP 0832847 (1998), US 6027775 (2000) y US 6537517 (2003)), cuya sencillez podría permitir una implementación industrial sencilla. En los últimos años se descubrió que los materiales sintetizados mediante esta técnica son, de hecho, titanatos alcalinos en forma laminar y nanoestructurados de forma unidimensional, que pueden ser protonados fácilmente mediante lavado ácido.

Se percibió que estos formatos de titanatos tenían un gran potencial para la producción de biodiesel mediante catálisis heterogénea y, hasta la fecha, no existe ningún método para usar estos tipos de estructuras catalíticas para aplicación en la transesterificación de triglicéridos para la producción de biodiesel.

Por consiguiente, la aplicación de catalizadores en forma laminar y/o nanoestructurada satisface la actual necesidad de obtener un catalizador de alto rendimiento para la producción de biodiesel, que es impresionante en su implementación práctica, que puede ser recuperado de los lechos de reacción y reutilizado, con gran superficie específica, y de bajo coste.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN

Se presenta un proceso para la producción de biodiesel, que usa un catalizador a base de titanato laminar, preferentemente de metales alcalinos o metales alcalinotérreos, y muy preferentemente de sodio, que experimenta una posterior protonación. Dicho catalizador se emplea en el proceso de catálisis heterogénea para la producción de ésteres de alcoholes ligeros a partir de cargas de triglicéridos de origen vegetal o animal, que se usan individualmente o mezclados en proporciones cualesquiera. Más particularmente, la presente invención se refiere a la aplicación de dichos titanatos en forma nanoestructurada, como catalizadores para la reacción de síntesis de biodiesel a partir de cargas de triglicéridos de origen vegetal o animal, que pueden usarse individualmente, o en mezclas en proporciones cualesquiera, en presencia de metanol o etanol, en condiciones operativas de la reacción para obtener biodiesel en el intervalo de 65ºC a 290ºC, más preferentemente en el intervalo de 150ºC a 290ºC, y a presión autógena del sistema.

Los catalizadores a base de titanato laminar generados en forma nanoestructurada para su uso en la presente invención también pueden prepararse a partir de compuestos metálicos seleccionados entre el grupo que comprende cloruros, nitratos, acetatos, sulfatos, carbonatos, hidróxidos y otros precursores de metales de transición y metales de transición interna tales como Mn, Fe, Co, Ti, Zr, Cu, Cr, Ni, Ru, Zn, Cd, Mo, W, V, La y Ce, además de los metales alcalinos y metales alcalinotérreos mencionados anteriormente, tales como Mg, Ca y Ba, que pueden introducirse en la fase de síntesis del titanato laminar o pueden sufrir intercambio iónico, parcial o completamente, a partir del titanato precursor en su forma alcalina o protonada.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Y REALIZACIONES PREFERIDAS

Se descubrió, inesperadamente, que en el caso de la reacción de transesterificación para la producción de biodiesel, los catalizadores sólidos del tipo titanato... [Seguir leyendo]

1. Proceso para la producción de biodiesel, caracterizado porque usa catálisis heterogénea para la transesterificación de triglicéridos mediante catalizadores a base de titanatos laminares en forma nanoestructurada.

2. Proceso para la producción de biodiesel de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque dichos triglicéridos comprenden aceites o grasas de origen vegetal o animal que se usan individualmente o en mezclas entre sí en proporciones cualesquiera.

3. Proceso para la producción de biodiesel de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque dichos catalizadores de titanatos laminares se producen a partir de compuestos precursores de metales alcalinos, metales alcalinotérreos, metales de transición y de transición interna, que pueden introducirse en la fase de síntesis del titanato laminar o pueden sufrir intercambio iónico, parcial o completamente, a partir de titanato precursor en su forma alcalina o protonada.

4. Proceso para la producción de biodiesel de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizado porque dichos catalizadores de titanatos laminares son de metales alcalinos, más preferentemente de sodio.

5. Proceso para la producción de biodiesel de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, caracterizado porque dichos catalizadores de titanatos laminares se someten a lavado ácido para su protonación.

6. Proceso para la producción de biodiesel de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, caracterizado porque dichos catalizadores de titanatos laminares protonados en forma nanoestructurada usados en dicha transesterificación de triglicéridos comprenden nanotubos, nanobarras, nanofibras o nanoláminas, siendo preferentemente nanotubos con un diámetro externo en el intervalo de 5 nm a 50 nm y superficie específica BET en el intervalo de 50 m2/g a 450 m2/g, más preferentemente por encima de 150 m2/g.

7. Proceso para la producción de biodiesel de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, caracterizado porque la temperatura de reacción de dicha transesterificación de triglicéridos por medio de dichos catalizadores de titanatos laminares protonados en forma nanoestructurada está en el intervalo de 65ºC a 290ºC, preferentemente en el intervalo de 150ºC a 290ºC.

8. Proceso para la producción de biodiesel de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, caracterizado porque dichos catalizadores de titanatos laminares en forma nanoestructurada se usan en dicha transesterificación de triglicéridos en cantidades en el intervalo del 1% al 5% (p/p) con respecto a dichos triglicéridos.